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CÁLCULO Y SELECCIÓN DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AIRE
COMPRIMIDO PARA LA RED NEUMÁTICA DEL LABORATORIO DE
AUTOMATIZACIÓN DE LA FACULTAD TECNOLÓGICA, UNIVERSIDAD DISTRITAL
FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
DIANA DEAZA CARVAJAL
DIEGO ALEJANDRO HERREÑO PEÑA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR TECNOLOGÍA EN MECÁNICA
BOGOTÁ D.C, 2019
CÁLCULO Y SELECCIÓN DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AIRE
COMPRIMIDO PARA LA RED NEUMÁTICA DEL LABORATORIO DE
AUTOMATIZACIÓN DE LA FACULTAD TECNOLÓGICA, UNIVERSIDAD DISTRITAL
FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
DIANA DEAZA CARVAJAL
DIEGO ALEJANDRO HERREÑO PEÑA
TRABAJO DE GRADO
TUTOR: ING. ALEXANDER ALVARADO MORENO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR TECNOLOGÍA EN MECÁNICA
BOGOTÁ D.C, 2019
DEDICATORIA
Este presente trabajo está dedicado a todas esas personas que nos aportaron gran parte de sus conocimientos y que hicieron posible el desarrollo del presente documento, a todas estas personas que fueron parte importante en nuestras vidas, compañeros, familiares y profesores.
Dedicado a todas las horas en las que estuvimos en los salones aprendiendo los procesos que se realizan en la industria, a las horas en las que nos preparamos estudiando para un examen o para terminar un trabajo, momentos en los que nos adquirieron la información necesaria.
AGRADECIMIENTOS
A nuestros padres que nos apoyaron en todo momento y nos han forjado como personas,
a nuestros hermanos que mediante sus criticas nos han hecho crecer como personas, a
nuestro tutor el Ingeniero Alexander Moreno por guiarnos en este proceso,
por brindarnos las bases para lograr esta meta que tanto hemos anhelado y a la
Universidad Distrital por habernos permitido recorrer este camino en sus instalaciones
durante estos años y acogernos como parte de su institución.
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 2
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................................ 4
2.1 ANTECEDENTES ............................................................................................... 6
2.1.1 Diseño e instrumentación de una línea de aire comprimido para un
laboratorio académico (Nieto, Manjarres, Galvis, Rios, Roldan, Duque, 2016). ........ 6
2.1.2 Diseño de un sistema neumático para el desarrollo de competencias en los
estudiantes en tecnología de mantenimiento aeronáutico (Calderon, Cruz, Ospina,
2016)….. .................................................................................................................... 7
2.1.3 Desarrollo de un plan de mejoramiento para la red de aire comprimido de la
planta de producción sofasa – envigado (Gutiérrez, Facundo, 2008). ....................... 8
2.1.4 Software para la selección del diámetro de tubería comercial en una red de
distribución neumática (Peréz, Vargas , 2017 ). ........................................................ 9
2.2 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................... 11
3. OBJETIVOS ............................................................................................................. 12
3.1 OBJETIVO GENERAL ...................................................................................... 12
3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ............................................................................. 12
4. TRATAMIENTO DE AIRE COMPRIMIDO ............................................................... 13
4.1 AIRE COMPRIMIDO ......................................................................................... 13
4.2 NORMAS ISO PARA EL AIRE COMPRIMIDO ................................................. 13
4.3 LOS NIVELES DE CALIDAD DEL AIRE SEGÚN LA NORMA ISO8573 ........... 15
4.4 LEYES DE LOS GASES ................................................................................... 15
5. METODOLOGÍA ...................................................................................................... 17
5.1 FASE DE DOCUMENTACIÓN .......................................................................... 17
5.2 FASE DE DISEÑO ............................................................................................ 24
5.2.1 Desarrollo del levantamiento de planos. ..................................................... 24
5.2.2 Determinación por monitoreo de las condiciones ambientales ................... 29
5.2.3 Medición de temperatura del aire de comprimido ....................................... 35
5.2.4 Estimación carga de consumo efectiva ...................................................... 35
5.2.5 Corrección de caudal .................................................................................. 42
5.2.6 Cálculo de caída de presión ....................................................................... 44
5.2.7 Calculo para la cantidad de agua a remover .............................................. 49
5.3 FASE DE SELECCIÓN ..................................................................................... 52
5.4 FASE DE ANÁLISIS DE RESULTADOS ........................................................... 60
6. CONCLUSIONES .................................................................................................... 64
7. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................ 66
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Foto separador PB 20 TB 70 V0.5 1613-7558-00 WSD 25. .............................. 3
Figura 2. Exceso de agua condensada en el depósito de aire y humedad generada en la
tubería. ............................................................................................................................. 5
Figura 3. Flujograma de funcionamiento general del software. ...................................... 10
Figura 4. Esquema de una alimentación de red neumática. .......................................... 17
Figura 5. Filtro en corte. ................................................................................................. 20
Figura 6. Regulador de presión. ..................................................................................... 21
Figura 7. Lubricador. ...................................................................................................... 22
Figura 8. Circuitos para la distribución del aire comprimido. .......................................... 22
Figura 9. Toma de aire cuello de ganso. ........................................................................ 23
Figura 10. Toma de fotos tuberías red neumática laboratorio automatización. .............. 24
Figura 11. Puntos de distribución de aire en el laboratorio de hidráulica. ...................... 25
Figura 12. Medida y seguimiento de red con el uso del decámetro, del bloque 1, 2, 3, 4.
....................................................................................................................................... 26
Figura 13. Medida desde el primer nivel del bloque, hasta el quinto nivel donde termina
la red. ............................................................................................................................. 26
Figura 14. Foto de la salida del compresor e inicio de la tubería de la red neumática. .. 26
Figura 15. Medición de la tubería con un calibrador digital. ........................................... 27
Figura 16. Medición de la tubería flexible en los puntos donde se distribuye el aire. ..... 27
Figura 17. Esquema de la red de distribución de aire comprimido de la Universidad
Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica. ............................................ 29
Figura 18. Sensores de humedad y temperatura UNI-T A10T y DTH11 Keyes con PCB.
....................................................................................................................................... 30
Figura 19. Tarjeta Arduino UNO R3. .............................................................................. 30
Figura 20. Conexión Arduino. ......................................................................................... 31
Figura 21. Programación definición de variables. ........................................................... 31
Figura 22. Programación función setup. ......................................................................... 32
Figura 23. Programación función lopp. ........................................................................... 32
Figura 24. Monitoreo de las condiciones ambientales en el punto de ubicación del
compresor Atlas Copco GA11. ....................................................................................... 33
Figura 25. Medición de temperatura del aire comprimido. ............................................. 35
Figura 26. Centro de mecanizado Leadwell V-20i. ......................................................... 37
Figura 27. Planta de control de procesos de presión T5555. ......................................... 38
Figura 28. Conexión para activación de los actuadores. ................................................ 40
Figura 29. Punto de rocío. .............................................................................................. 62
Figura 30. Esquema interno del secador TX SERIES de la marca KAESER. ................ 63
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Listado de todos los accesorios de la red de distribución ................................. 25
Tabla 2. Promedio obtenido para los datos de porcentaje de humedad ........................ 34
Tabla 3. Promedio obtenido para los datos de temperatura ........................................... 34
Tabla 4. Moda obtenida para los datos de porcentaje de humedad ............................... 34
Tabla 5. Moda obtenida para los datos de temperatura ................................................. 34
Tabla 6. Consumo especifico de herramientas y factores de utilización. ....................... 36
Tabla 7. Factores de utilización. ..................................................................................... 36
Tabla 8. Mediciones de tiempos de avance y retroceso actuadores .............................. 39
Tabla 9. Datos cilindros de simple y doble efecto .......................................................... 40
Tabla 10. Cálculo de carga de consumo efectiva ........................................................... 41
Tabla 11. Porcentajes de sobredimensionamiento ......................................................... 43
Tabla 12. Índices de rugosidad ...................................................................................... 45
Tabla 13. Longitud equivalente de accesorios ............................................................... 46
Tabla 14. Longitudes de tubería ..................................................................................... 47
Tabla 15. Información para el cálculo de caída de presión ............................................ 49
Tabla 16. Datos medidos con el higrómetro en la ubicación del compresor. ................. 51
Tabla 17. Resultados de la cantidad de agua a remover ............................................... 52
Tabla 18. Sistemas de secado. ...................................................................................... 54
Tabla 19. Modelos de secador refrigerativo de la empresa Atlas Copco. ...................... 55
Tabla 20. Modelos de secador refrigerativo de la empresa Neumair, marca Friular. ..... 55
Tabla 21. Modelos de secador refrigerativo de la empresa Neumair, marca Hankison. 56
Tabla 22. Modelos de secador refrigerativo de la empresa Kaeser. .............................. 57
Tabla 23. Modelos de secador refrigerativo de la empresa H-TFI. ................................. 58
Tabla 24. Secadores frigoríficos. .................................................................................... 59
1
RESUMEN
A continuación se presenta una breve descripción del contenido en el documento
elaborado para optar al grado de Tecnología en Mecánica, está compuesto por el
proceso de elaboración que fue llevado a cabo en la Universidad Distrital para dar con
la selección de un sistema secador para la red neumática de la Facultad Tecnológica,
también muestra la iniciativa por la cual se desea plantear dicha solución de agregar
un secador para aire comprimido, los causantes del problema junto con su solución,
se muestra la información consultada para contextualizar el problema.
Este es el resultado de la recopilación de datos para la realización de cálculos que
determinan el caudal del aire, las cantidades de agua a remover en el sistema, y el
tipo de secador que se necesita.
En este documento se desarrollan los procedimientos para la selección del sistema
de tratamiento, objeto base del trabajo de grado, y así dar solución a la forma en la
cual se está usando el aire comprimido y no perjudicar los equipos ni elementos que
se abastecen de este, el documento contiene la información recopilada necesaria,
junto con los procedimientos y cálculos requeridos para dar con la solución, además
de los isométricos y la elección del secador para el compresor Atlas Copco G11 y toda
la Red Neumática.
2
1. INTRODUCCIÓN
La Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica ubicada en
al barrio Candelaria La Nueva, localidad Ciudad Bolívar recibe diariamente a más de
5.811 estudiantes en los distintos programas de tecnologías e ingenierías (página web
Universidad Distrital), provenientes de la localidad y sectores aledaños, esta
institución de educación superior, ofrece la formación académica a cada uno de ellos,
los cuales hacen uso de las distintas aulas y laboratorios, de la biblioteca y el auditorio.
Las zonas como los laboratorios, que son de uso común brindan quizás uno de los
servicios más importantes a la comunidad estudiantil, la disposición de estos les
permite a los estudiantes llevar sus conocimientos teóricos adquiridos previamente a
una parte experimental adquiriendo así el conocimiento práctico necesario para
desempeñar una vida laboral.
En el presente documento para optar al grado, está fundamentado en las áreas del
conocimiento de la Tecnología Neumática, la Mecánica de fluidos y de los principios
de la Termodinámica, por ello se desarrolla en los laboratorios que son afines a las
áreas, específicamente en los que tienen relación con la red neumática del
Laboratorio de Automatización de los Proyectos curriculares Tecnología en Mecánica
Industrial e Ingeniería Mecánica, de la Facultad Tecnológica.
El adecuado funcionamiento de los laboratorios permite que la Facultad, satisfaga las
necesidades de cada uno de los estudiantes, y contribuya a su formación académica,
mediante su uso en los espacios académicos y la demanda de prácticas libres. Se ha
notado un aumento en el consumo, por la instalación de nuevos puntos de
alimentación de aire y máquinas especializadas respecto al diseño de la instalación
inicial en la Facultad, por lo tanto, el sistema requiere un aire con un nivel de calidad
mayor para poder satisfacer las necesidades actuales de trabajo. En las condiciones
actuales la red no cuenta con el adecuado funcionamiento debido a no tener un
sistema de tratamiento de aire (secador) lo suficientemente bueno para entregar aire
limpio a los equipos. El compresor Atlas Copco GA 11 cuenta con un filtro separador
de aceite /agua (ver figura 1) el cual se descarga mediante una válvula de purga, este
filtro no se encarga de secar el aire comprimido debido a que no condensa el vapor
de agua que contiene el aire y por eso es necesario implementar un sistema de
tratamiento de aire adecuado.
3
Figura 1. Foto separador PB 20 TB 70 V0.5 1613-7558-00 WSD 25.
Fuente propia.
Como bien es sabido la importancia de los secadores en una red neumática permitirá
reducir considerablemente la cantidad del agua contenida en ella. El agua que queda
depositada al interior de las tuberías causa daños, ligeros cuando se encuentra en
vapor de agua, o aún más graves en estado líquido. Conforme va variando el estado
químico del agua y esta empieza a condensarse, poco a poco va causando la
oxidación y corrosión en las tuberías, obligando así a ser cambiadas en un tiempo
menor de su vida útil, esta agua condensada va afectando considerablemente las
tuberías, los equipos neumáticos y los actuadores causando taponamientos en ellos,
bloqueándolos y estropeando el trabajo que estos realizan; además de los numerosos
daños que esta le puede causar a las herramientas que funcionan con el uso del aire
comprimido, herramientas cuyo precio de adquisición pueden llegar a ser muy
elevado. Entre los elementos que reciben estos impactos se encuentran los
pulsadores, las válvulas, las electroválvulas, los sensores de proximidad, los
reguladores de flujo manómetros, los reguladores de presión, temporizadores,
cilindros pistón, contadores neumáticos, distribuidores de aire, los cuales pueden
causar desde daños a sus partes, deformaciones permanentes o rupturas.
En este documento se desarrollan los procedimientos para la selección del sistema
de tratamiento, objeto base del trabajo de grado, y así dar solución a la forma en la
cual se está usando el aire comprimido y no perjudicar los equipos ni elementos que
se abastecen de este, el documento contiene la información recopilada necesaria,
junto con los procedimientos y cálculos requeridos para dar con la solución, además
de los isométricos y la elección del secador para el compresor Atlas Copco G11 y toda
la Red Neumática.
4
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Actualmente la distribución del aire comprimido es un sistema muy eficiente para la
transmisión de energía mecánica para los distintos equipos que existen en las
empresas, la red de distribución de aire les permite a las empresas un trabajo eficiente
y económico en cuanto a la obtención de la materia prima; El empleo del aire
comprimido en todas las áreas industriales bien sea en el proceso de manufactura de
productos, en la utilización de diferentes herramientas, ha ayudado en la agilización
de los procesos industriales, y al crecimiento de las industrias.
La Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas cuenta
en su infraestructura con 9 edificios, de los cuales están organizados en bloque 1-2-
3-4; bloque 5; bloque 9; bloque 11-12; bloque 13; una biblioteca, el auditorio Gustavo
Caamaño L.; el bloque de decanatura, secretaria de proyectos curriculares; un
coliseo. El bloque 1-2-3-4 es el principal dado que este contiene la red neumática y el
Compresor Atlas Copco G11, en donde se fijará la atención para este proyecto.
Principalmente la red neumática abastece aire comprimido al Laboratorio de
Automatización, el Laboratorio de Mecanizado y Robótica y el Laboratorio de
Electrónica; estos laboratorios día a día brindan su espacio a los estudiantes de la
Facultad Tecnológica, en los que mediante prácticas libres o en el espacio de clase
hacen uso de ellas, por lo que están en constante uso lo que obliga a replantear un
análisis sobre las condiciones en las que actualmente se encuentra el funcionamiento
de esta y como el seguir usándola así podría verse afectado por los daños que el mal
tratamiento del aire comprimido puede causar a los equipos y los dispositivos, al no
retirar completamente el agua que está en el aire; los equipos más afectados son las
válvulas, las electroválvulas, las servo válvulas, las válvulas de control entre otros
accesorios y herramientas que son de gran costo, estos daños ya se han evidenciado,
principal mente en los actuadores y válvulas neumáticas donde se ha identificado el
atascamiento de los cilindros y taponamiento de las válvulas.
La ubicación principal al desarrollo del proyecto corresponde al bloque 4, pisos 1,2 y
4 en donde se encuentra el Laboratorio de Automatización, el Laboratorio de
Mecanizado y Robótica, y el Laboratorio de Electrónica, el correcto funcionamiento de
los equipos representa un gran aporte de la Universidad a toda la comunidad
universitaria, contribuyendo al crecimiento académico y profesional, además de que
un uso correcto a estos evitara daños en los equipos y prolongara la vida útil de estos.
La distribución del aire ubicada en el interior del bloque principal de estudio, mediante
la red neumática actual está en un punto deficiente ya que el aire que fluye por esta,
es transportado con un alto nivel de humedad (como se puede observar en la figura
2), el cual se almacena en el sistema de tuberías y es arrastrado por el flujo de trabajo
hasta los diferentes equipos, actualmente el deposito purga una cantidad de agua
estimada entre 0.33g/min y 0.38g/min (estos valores se estimaron midiendo la
cantidad de agua que purga el tanque por día); para esto se propone una adición de
5
un secador de aire seleccionado según los cálculos y datos contenidos en este
documento, que permitirá filtrarlo y garantizar una mayor remoción de agua, logrando
mejorar la calidad del aire que se encuentra en un nivel 1, y llevarla a obtener un nivel
3 de calidad de acuerdo a la normatividad ISO8573-1.
Figura 2. Exceso de agua condensada en el depósito de aire y humedad generada en la tubería.
Fuente: propia.
En el levantamiento de los planos de la red neumática, se toman las muestras que
permitan determinar la temperatura de trabajo, la presión en el punto de la instalación
y la humedad al interior de ella, para poder calcular la cantidad de agua a remover del
sistema, pretendiendo mejorar su nivel de rendimiento y mejorando los costos de
trabajo de la red y de los elementos a ella conectados.
La presión de trabajo es un factor muy importante al hablar del consumo de energía
y los niveles del aire no solo son afectados por la cantidad de humedad presente sino
también de las condiciones ambientales en donde están ubicados, estos equipos
neumáticos indican la presión del aire necesaria para su funcionamiento y también
será una base para determinar la presión uso de la red, la presión más alta requerida
por los equipos será la presión a la cual trabajara la red para así cumplir la distribución
necesaria del aire comprimido, y así el funcionamiento de los equipos mediante los
reguladores de presión tales como válvulas, distribuidores y cilindros.
La presión de la red neumática también se definirá en la medición y el cálculo de los
puntos de abastecimiento, ya que de este también depende los diferentes accesorios;
se tendrá en cuenta las caídas de presión producidas en la instalación afectando el
flujo de trabajo de los equipos neumáticos, estas caídas en la presión están
relacionadas con el aumento del caudal, y se presentan constantemente cuando se
alteran las condiciones de la red, pero estas caídas podrían afectar los equipos de los
laboratorios. Se presenta el cálculo del consumo nominal de aire comprimido que
varía con la conexión de nuevas herramientas y equipos.
6
2.1 ANTECEDENTES
Para la implementación de un sistema de tratamiento de aire comprimido con mayor
calidad en la red neumática de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas, es necesario conocer las metodologías, cálculos y
procedimientos que presentan algunos documentos relacionados con el diseño de
redes de distribución de aire comprimido, además de ello será necesario recopilar
información acerca de los planes de mejoramiento que se han desarrollado en los
últimos años. Posteriormente se investigarán documentos que brinden las bases
teóricas de trabajo para facilitar el desarrollo de los cálculos que se requieran para
seleccionar el tipo de secador idóneo para la red.
2.1.1 Diseño e instrumentación de una línea de aire comprimido para un
laboratorio académico (Nieto, Manjarres, Galvis, Rios, Roldan, Duque,
2016).
Este artículo presenta los pasos a seguir para el diseño de una red de distribución de
aire comprimido para un laboratorio de robótica, el cual consta con bancos
neumáticos, un torno Magnum CNC (Allecop), una fresadora Supernova CNC
(Allecop), y torre-almacén (Allecop), estos equipos trabajan a una presión máxima de
6bar, pero al incluir la compensación de caída de presión en un 10% de la presión
establecida, los equipos funcionan con una presión optima de 6.6bar (95.725 psi).
Para los consumos específicos totales de las maquinas, se tiene en cuenta los
factores de servicio y la posible pérdida de masa que puede haber en el sistema,
adicionando un 30% demás al consumo total.
Este documento tiene presente todas las normatividades correspondientes a la
seguridad industrial y ocupacional para el correcto diseño de la red, desarrollando un
análisis de riesgo, en este análisis se establecen factores determinantes como
proceso, lugar, actividades, tareas y rutinas de funcionamiento para generar criterios
de calificación, posteriormente se identifican los peligros existentes los cuales son los
niveles sonoros que genera especialmente el compresor, una vez identificado el nivel
sonoro como peligro se procede a calcular el nivel de riesgo mediante la ecuación 1.
NR = NCNDNE (1)
7
Donde ND es el nivel de deficiencia, NE es el nivel de exposición y NC es el nivel de
consecuencia, los valores de estos niveles se obtienen mediante unas tablas. Si el
factor nivel de riego (NR) oscila entre los 4000-600 quiere decir que es nivel 1 y es
una situación crítica, por lo tanto no son aceptables las condiciones de trabajo.
Los criterios más relevantes que toma el artículo para el diseño de la red son los
siguientes:
Rendimiento esperado del sistema.
Adecuaciones civiles requeridas.
Condiciones de instalación.
Calidad de los equipos y materiales.
Costos.
Estética.
Para calcular el diámetro mínimo de la tubería en milímetros el articulo emplea la
ecuación 2, la cual es función de la caída de presión (Δρ) en bar, el caudal de aire (𝑄)
en litros por segundo, longitud de la tubería (𝑙) en metros, y la presión absoluta inicial
(𝑝) en bar.
𝑑 = √450 ×𝑄1.85×𝑙
𝑝×Δρ
5 (2)
2.1.2 Diseño de un sistema neumático para el desarrollo de competencias en
los estudiantes en tecnología de mantenimiento aeronáutico (Calderon,
Cruz, Ospina, 2016).
El presente artículo tiene como objetivo fortalecer la formación disciplinar de los
estudiantes de Tecnología en Mantenimiento Aeronáutico de la escuela de
aviación policial (ESAVI), Diseñando un sistema de red neumática para un aula
práctica.
El diseño se trabaja con una tubería de polipropileno, ya que según el presente
artículo garantiza un aire limpio, libre de corrosión, con baja dilatación y un montaje
sencillo, teniendo en cuenta la dilatación que este sufre en función de la
temperatura. La ecuación 3 es usada para calcular la dilatación que sufre la
tubería cuando hay un cambio de temperatura Δρ.
ΔL = 𝜇 × 𝛥𝑡 × 𝑙 (3)
8
Dónde: 𝜇= coeficiente de dilatación lineal (0.11mm/mc°), 𝛥𝑡= diferencia de
temperatura, 𝑙= longitud de tubería (m), ΔL = variación longitudinal (mm).
Este artículo logra mantener la presión constante en los seis puntos de trabajo
entre unos 90-100 psi en su sistema de distribución de aire comprimido. Para
calcular las perdidas, tuvieron en cuenta los siguientes aspectos:
Cantidad de líneas neumáticas.
Tipo de materiales.
Diámetro de la tubería.
Parámetros de presión.
Componentes necesarios para el diseño.
Velocidad de flujo.
Temperatura.
Donde emplean la siguiente ecuación para dichos cálculos.
Δρ =1.6×103×𝑄1.85×𝐿
𝑑5×𝑝 (4)
Como se observa en el anterior artículo, la ecuación 2 no tiene mucha diferencia
con respecto a la ecuación 4, en realidad es la misma fórmula la única diferencia
radica en la constante, ya que es un factor para las unidades.
2.1.3 Desarrollo de un plan de mejoramiento para la red de aire comprimido
de la planta de producción sofasa – envigado (Gutiérrez, Facundo, 2008).
El presente proyecto evalúa las condiciones de trabajo de la planta de producción
de Sofasa Envigado para desarrollar un plan de mejoramiento para la red de aire
comprimido y lograr disminuir los costos por paros de línea.
El proyecto busca reconocer las causas de las fugas, pérdidas, caídas de presión
y el estado de carga actual de los compresores, para poder plantear un plan de
mejoramiento.
Como parte fundamental del proyecto establece los cálculos de consumo de aire,
considerando flujos isotrópicos.
𝑄 = 𝑄1 (𝐹×𝐼
𝑡×60) (5)
9
Dónde: 𝑄: consumo corregido, 𝑄1: caudal de la máquina herramienta, 𝐹: frecuencia
de utilización, 𝐼: intensidad de uso y 𝑡: tiempo de jornada de trabajo.
Para el cálculo de consumo en los actuadores se emplea la siguiente ecuación
𝑄 = [(𝑉𝑀 + 𝑉𝑇) × 𝑃 + (𝐴1 + 𝐴2) × 𝐶 × (𝑃 + 1)]𝑛 (6)
Dónde: 𝑄: consumo de aire comprimido, 𝑉𝑀: volumen del espacio muerto del
actuador, 𝑉𝑇: volumen de la tubería, 𝑃: presión de servicio, 𝐴1: área sección
transversal del émbolo, 𝐴2: área sección transversal del vástago, 𝐶: carrera del
actuador y 𝑛: numero de ciclos por minuto.
Para calcular la caída de presión debida a la fricción que se origina en las tuberías
el presente proyecto, establece la siguiente ecuación.
Δρ =𝛽
𝑅𝑇×
𝑉2
𝐷× 𝐿𝑃 (7)
Dónde:
Δρ: caída de presión.
𝛽: índice de resistencia.
𝑅: constante del gas.
𝑇: temperatura absoluta.
𝑉: velocidad del aire.
𝐷: diámetro interior de tubería.
𝐿: longitud de la tubería.
𝑃: presión.
2.1.4 Software para la selección del diámetro de tubería comercial en una red de
distribución neumática (Peréz, Vargas , 2017 ).
Este proyecto propone facilitar los cálculos para las pérdidas de presión en las
tuberías principales y secundarias en cada uno de los puntos de la red mediante
el software DTN C40.
10
Figura 3. Flujograma de funcionamiento general del software.
Fuente: "J. W. Vargas Acuña. E. S. Pérez Patiño".
La figura 3 enseña cómo se debe utilizar el software DTN C40, facilitando los
cálculos para la selección de la tubería con respecto a unos datos de entrada.
Este software garantiza una desviación entre el 2-5% en la perdida y en la diferencia
de presión además de ello el costo de la licencia del software es de $ 150 000 COP
lo cual es relativamente rentable con respecto a otros programas o softwares.
11
2.2 JUSTIFICACIÓN
El presente trabajo de grado pretende dar la elección precisa para el tratamiento
del aire que es usado en la red de distribución neumática de la Facultad
Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, con la
realización de los cálculos pertinentes para dar con dicha elección.
Tener un correcto secado de aire para un compresor, optimiza y mejora las
condiciones de servicio que se prestan con dicha distribución, además se mejora
la calidad del aire en cada punto eliminando así los residuos de agua.
El tratamiento del aire comprimido por el compresor y el secador en las condiciones
de uso ideales tiene un nivel de calidad de aire de 3, el nivel de la calidad del aire
que se maneja en la facultad es nivel 1 lo que denota un mal tratado de aire que
puede afectar el correcto funcionamiento de los dispositivos a los que la red
neumática provee.
Dentro de los diferentes lugares donde llega la red neumática de la Facultad se
encuentran el Laboratorio de Automatización, el Laboratorio de Mecanizado y
Robótica y el Laboratorio de Electrónica.
Se ve la necesidad de implementar el secado del aire comprimido debido a los
cambios locales de la red al interior de la facultad, a la falta de un secador interno
en el compresor, la implementación de nuevos dispositivos y extensión de la red
hacen que se requiera la implementación un secador adecuado a la red, en el
presente documento se desea exponer la información para su implementación,
esta modificación representará ventajas económicas en el mantenimiento en los
equipos, además de su prolongación de vida útil.
Entre los equipos que abastece la red neumática de la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica se encuentra, un centro de
mecanizado CNC Leadwell, tres Amatrol y cinco bancos neumáticos, los cuales
abastecen válvulas, electroválvulas, servoválvulas, actuadores, cilindro de simple
y doble efecto, los sensores de proximidad, los reguladores de flujo, manómetros,
los reguladores de presión, temporizadores, contadores neumáticos, distribuidores
de aire, entre otros dispositivos neumáticos.
12
3. OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
3.1.1 Calcular y seleccionar un sistema de tratamiento de aire comprimido para la red
neumática del Laboratorio de Automatización de la Facultad Tecnológica.
3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
3.2.1 Realizar un levantamiento de planos de la red neumática existente y elaborar un
isométrico de tubería.
3.2.2 Determinar por monitoreo las condiciones ambientales del lugar de la instalación
tales como temperatura, humedad y presión atmosférica.
3.2.3 Estimar la carga de consumo de aire efectiva CFM’S para la red neumática actual.
3.2.4 Calcular la cantidad de agua a remover de la red de aire comprimido.
3.2.5 Seleccionar el sistema de tratamiento de aire según la norma ISO8573.
13
4. TRATAMIENTO DE AIRE COMPRIMIDO
4.1 AIRE COMPRIMIDO
Es la denominación dada al fluido de trabajo de procesos neumáticos, este es
únicamente aire con elevadas presiones en volúmenes muy pequeños, el aire es
el fluido de trabajo, ya que, tiene las propiedades apropiadas para transmitir
energía, está compuesto de gases los cuales se encuentran contenidos en la
atmósfera y corresponde aproximadamente a una millonésima parte de la masa
del planeta, esta materia prima se obtiene directamente del ambiente y no
representa grandes riesgos cuando se manejan altas temperaturas.
El aire comprimido ha cobrado en los últimos años gran valor de utilidad y ha sido
motivo de observación y estudio por ello se ha prestado especial atención a la
contaminación inmersa en el aire, ya que contiene impurezas que están presentes
en la atmósfera como lo son el polvo, la humedad y los hidrocarburos, además de
las impurezas generadas en el proceso de la compresión del aire. La cantidad de
porcentaje de contaminación contenido en el aire está relacionada con el aumento
de la presión en él.
4.2 NORMAS ISO PARA EL AIRE COMPRIMIDO
La Organización Internacional de Normalización (ISO) se ha encargado de
determinar normas para la regulación de la calidad del aire comprimido que se
deberá utilizar. Actualmente se encuentran vigentes tres normas que se refieren a
la calidad (pureza) del aire y las pruebas que se realizan al aire comprimido, estas
son:
4.2.1 Serie ISO7183: Especifica los datos de rendimiento a aplicar para la presión de
los secadores incluyendo los parámetros para la presión en el punto de roció, la
tasa de flujo de aire, la pérdida del aire, el consumo de energía y la emisión de
ruidos.
4.2.2 Serie ISO 12500: Especifica los procedimientos y las pruebas a realizar en los
filtros en un sistema de aire, con el fin de determinar la eliminación de aerosoles
de aceite y el rendimiento del filtro.
4.2.3 Serie ISO8573: Especifica los métodos y las pruebas pertinentes para la
determinación de los contaminantes contenidos en el aire comprimido. La
importancia de la norma ISO 8573 es ampliamente conocida a nivel industrial,
14
entre la clasificación de los contaminantes que realiza esta norma se tiene:
partículas sólidas, humedad residual y contenido de aceite residual. La presencia
de estos contaminantes causa desgaste prematuro, óxido y corrosión de las
herramientas y tuberías, daños en la instrumentación. La norma ISO8573 consta
de nueve partes, en la cual la primera parte especifica los requisitos de calidad del
aire comprimido y las partes 2 a 9 especifican los métodos de prueba para una
amplia gama de contaminantes.
ISO8573-1:2010: Especifica la cantidad de contaminación admisible en cada
metro cúbico de aire comprimido.
ISO8573-2:2007: Especifica el método de prueba para contenido de aerosoles de
aceite.
ISO8573-3:1999: Especifica el método de prueba para la medición de la humedad.
ISO8573-4:2001: Especifica el método de prueba para contenido de partículas
sólidas.
ISO8573-5:2001: Especifica el método de prueba para contenido de vapores de
aceite y disolventes orgánicos.
ISO8573-6:2003: Especifica el método de prueba para contenido de
contaminantes gaseosos.
ISO8573-7:2003: Especifica el método de prueba para contenido de
contaminantes microbiológicos posibles.
ISO8573-8:2004: Especifica la prueba para contenido de partículas sólidas por
concentración másica.
ISO8573-9:2004: Especifica el método de prueba para contenido de agua líquida.
15
4.3 LOS NIVELES DE CALIDAD DEL AIRE SEGÚN LA NORMA ISO8573
Para los distintos usos son:
Nivel 1: Aire de baja calidad para taller.
Nivel 2: Aire para taller y herramientas Sand Blasting
Nivel 3: Aire para instrumentos, pinturas en aerosol, pinturas electrostáticas y
maquinaria de empaque.
Nivel 4: Aire para la industria alimenticia, industria química y laboratorios
farmacéuticos.
Nivel 5: Aire para tuberías externas de cervecerías, industria de lácteos, industria
electrónica, industria química y laboratorios farmacéuticos.
Nivel 6: Aire apto para respirar.
4.4 LEYES DE LOS GASES:
Para el desarrollo del cálculo y selección de la red neumática, se debe hacer uso
de los conceptos fundamentales de los gases perfectos, ya que, el flujo de trabajo
será el aire, la ley de los gases también llamada ley de la compresión es una
combinación de los principios de la ley de Boyle y la ley de charles que establecen:
4.4.1 La ley de Boyle establece que la reducción de los volúmenes de un gas durante
un proceso de compresión isotérmico (temperaturas constantes) será igual al
aumento en la presión en el mismo proceso matemáticamente esto está dicho por:
𝑃1 ∗ 𝑉1 = 𝑃2 ∗ 𝑉2 (8)
Donde:
P: es la presión absoluta (Pa)
V: es el volumen (𝑚3)
16
4.4.2 La ley de Charles: postula que el volumen es directamente proporcional a la
temperatura cuando la presión es constante en un proceso de compresión:
𝑉1
𝑇1=
𝑉2
𝑇2 (9)
Donde:
V: es el volumen (𝑚3)
T: es la temperatura absoluta (K)
La ley general que surge de estas dos, indican cómo están relacionadas las
propiedades de presión, temperatura y volumen. Definiendo el cambio que
produce la variación de alguna de las propiedades respecto a las otras.
𝑃∗𝑉
𝑇= 𝑅 (10)
Donde:
𝑅 =�̅�
𝑀 : es la constante individual (
𝐽
𝑘𝑔∗𝐾)
La constante de gas individual R depende de las propiedades del gas. Si
una masa m del gas ocupa el volumen V, la relación se puede expresar
como:
𝑃 ∗ 𝑉 = 𝑛 ∗ �̅� ∗ 𝑇 (11)
Donde:
n: es el número de moles
�̅�: es la constante de gas universal que equivale a 8,314 (𝐽
𝑚𝑜𝑙∗𝐾)
17
5. METODOLOGÍA
5.1 FASE DE DOCUMENTACIÓN
En esta fase se prosiguió con la búsqueda de la información científica, la
normatividad respectiva y la clasificación técnica de los equipos involucrados,
información que se encuentra organizada en el estado del arte y el marco teórico
del presente documento, esta investigación y recopilación se ubica en un contexto
actual de la innovación en ingeniería y procesos similares llevados a cabo a nivel
nacional y local. El marco de desarrollo e innovación enmarca los caminos viables
para la solución más eficaz del problema, en este caso la selección de un secador
de aire para la red neumática de la Facultad Tecnológica óptimo para las
condiciones de funcionamiento.
La red neumática: Es un sistema de distribución de aire, con el fin de obtener
energía mecánica, sus componentes básicos son: el compresor, que se encarga de
aumentar la presión al aire para hacerlo fluir; el filtro del compresor, el cual ayuda a
bloquear la entrada de impurezas al sistema; el secador del aire, que es el
encargado de eliminar la humedad en el aire condensando (el vapor de agua); el
tanque de almacenamiento donde se acumula el aire que ya fue comprimido,
además ayuda a retener la humedad e impurezas del fluido; la unidad de
mantenimiento, que ayuda a evitar la humedad a las líneas de distribución; la tubería
de distribución, la cual sale directamente del compresor y es la línea que distribuye
el fluido a todos los elementos conectados y los demás accesorios como purgas,
válvulas y reguladores de presión que hacen parte de una red de distribución
neumática.
En el siguiente esquema figura 4 se identifican los componentes principales y
básicos para la instalación de una red de distribución de aire comprimido.
Figura 4. Esquema de una alimentación de red neumática.
18
. Fuente: Festo Pnematics 2002.
Los compresores son dispositivos que permiten tomar aire de la atmosfera y elevar
su presión lo suficiente para lograr presiones óptimas de trabajo, los compresores
son de dos tipos básicos: compresores de desplazamiento positivo y compresores
dinámicos, estos difieren en la forma en que entregan la energía de trabajo y en la
forma en que elevan la presión del aire. Los compresores de desplazamiento
positivo se subdividen en:
Compresores reciprocantes (compresor de pistón, de laberinto, de diafragma).
Compresores rotativos (compresor de lóbulo o raíces, de paleta deslizante. De
anillo de agua, de un solo espiral y de doble espiral-tornillo).
También se pueden clasificar los compresores bien sea por su tipo de operación o
por su geometría. En estos factores se puede ver si son de simple o doble efecto
y su cantidad de etapas, se puede diferenciar también la posición en que se ubican
los cilindros (horizontalmente, verticalmente o en v), su montaje y desplazamiento,
y su método de enfriamiento (aire, agua, inyección, etc.). Se pueden encontrar de
varias clases entre los más comunes compresores de aire a pistón de simple efecto
de una o dos etapas, compresores de aire a pistón de doble efecto de dos etapas
con refrigeración por agua y compresores rotativos que comprimen el aire con un
movimiento continuo rotativo, siendo desplazado desde la aspiración hasta la
descarga.
Los depósitos de aire o acumuladores son los encargados de suplir varias
funciones, una de ellas es separar el agua condensada que se genera al comprimir
el aire, otra es actuar de distanciador en los periodos de regulación, además de
ello se encarga de estabilizar las pulsaciones de presión generadas por el
compresor, evitando las fluctuaciones de presión en todo el sistema de distribución
de red. En algunos sistemas se agrega un refrigerador entre el compresor y el
depósito de aire reduciendo así la cantidad de agua condensada.
Los depósitos pueden encontrarse de diferentes formas existen depósitos
verticales, horizontales, como depósitos pequeños, los cuales se pueden encontrar
suspendidos en la tubería, el problema de estos depósitos pequeños, es que el
costo de instalación es mucho más elevado que el costo por instalación de un
depósito grande. Un factor importante para la instalación de un depósito es su
ubicación debido a que esto puede afectar la capacidad de separación del agua
condensada si no se mantiene en un lugar lo suficientemente fresco, además de
ello una mala ubicación y refrigeración del depósito puede llevar a una explosión
debido a que las paredes de este se calientan con el contacto del aire comprimido
llevando a cabo la combustión del aceite-aire.
19
En un sistema de distribución de aire comprimido, es necesario mantener un aire
libre de agua, es decir, lo suficientemente seco, los compresores toman aire de la
atmósfera y este aire contiene cierto porcentaje de humedad que depende del
lugar en el que se encuentre, esto se conoce como humedad relativa, esta
humedad puede corroer las tuberías, si son metálicas, ocasionar errores de
medición en los equipos de control, disminuir el rendimiento de toda la instalación,
obstruir la función de los engrasadores o lubricadores, entre otros inconvenientes,
los cuales se pueden encontrar si se trabaja con una mala calidad de aire. Los
secadores son los encargados de deshumidificar el aire, estos se pueden clasificar
en tres tipos:
Secadores frigoríficos: este secador reduce la humedad del aire
disminuyendo la temperatura alcanzando la temperatura de roció
deseada entre los 2°C y 3°C se recomienda usar un separador para
evitar el paso de aceites y suciedad, este secador garantiza un nivel de
calidad medio.
Secadores por adsorción: estos secadores consiguen deshumidificar el
aire disminuyendo la temperatura entre unos –20°C y -80°C, por debajo
del punto de roció a presión (PRP), estos secadores suelen usarse
cuando las redes se encuentras situadas en climas bastante fríos, el
secado se realiza por medio de agentes químicos que se encargan de
atrapar las moléculas de agua.
Secadores por absorción: estos secadores se emplean cuando se
requieren niveles de calidad altos, estos secadores funcionan con un
agente secante el cual es un gel que se consume y que debe
regenerarse, este secador genera una condensación rápida.
En una red de distribución de aire comprimido la calidad del aire es primordial, es
decir, garantizar un flujo de aire lo suficientemente seco, libre de aceite e
impurezas. Para garantizar una evacuación del aceite y agua condensada es
necesario tener purgadores automáticos, para seleccionar los purgadores
automáticos hay que tener presente la densidad y la viscosidad de la mezcla, ya
que, existen purgadores que trabajan con mezclas de aceite-agua más liquidas y
menos pastosas, como los purgadores de boya, en los cuales existe la posibilidad
que la boya se atasque y el purgador no funcione correctamente por manejar
mezclas demasiado espesas o pastosas.
También se pueden encontrar centrales de purga, en donde existe la posibilidad
de controlar la cantidad de volumen de aceite-agua a eliminar en ciertos intervalos
de tiempo, generalmente estas válvulas de purga se encuentran ubicadas en los
20
aparatos de la instalación neumática, tales como depósitos, filtros, refrigeradores
entre otros.
La unidad de mantenimiento es un conjunto de elementos que se encargan de
purificar el aire para evitar daños a las herramientas de trabajo o maquinas, por lo
tanto, es recomendable instalar estos elementos lo más cerca posible de los
puntos de utilización con una distancia no mayor a los cinco metros, la unidad de
mantenimiento consta de filtros reguladores de presión y lubricadores, los cuales
cada uno cumple una función específica, que se abordará más adelante, algunos
diseños nuevos unifican el regulador y el filtro, aunque no es necesaria la
instalación de los tres elementos, debido a que existen diferentes combinaciones
que varían en función de la aplicación, es recomendable utilizar la combinación
filtro-regulador-lubricador, aunque existen algunas excepciones especialmente
con el lubricador, ya que, en algunos casos es perjudicial la llegada de aceite al
puesto de trabajo.
Los filtros son los elementos encargados de retener las impurezas que se pueden
encontrar en la atmósfera desde granos de arena o tierra, hasta partículas de
polvo, los filtros se clasifican según su capacidad de retención de partículas, hay
que aclarar que entre más fino sea el filtro es mayor la posibilidad que su vida útil
se reduzca si este trabaja con partículas que no sean lo suficientemente pequeñas,
el aire entra al filtro pasando por medio de unas aspas generando una fuerza
centrífuga que se encarga de separar las partículas del aire. En la figura 5 se
muestra la sección de un filtro de aire.
Figura 5. Filtro en corte.
Fuente: Festo Pnematics 2002.
21
Los reguladores de presión son los encargados de estabilizar o de mantener
constante las condiciones de funcionamiento, es decir, que cumplen dos funciones
las cuales son regular el caudal y regular la presión en los puntos de salida, esta
regulación se hace mediante un tornillo de ajuste, que regula la fuerza del muelle
permitiendo que la presión disminuya debido al desplazamiento del muelle, en la
figura 6 se puede observar el funcionamiento de los reguladores
esquemáticamente.
Figura 6. Regulador de presión.
Fuente: Festo Pnematics 2002.
El engrasador o lubricador tiene como propósito mezclar el aire con un aceite para
lubricar internamente las herramientas, cilindros, maquinas, válvulas o cualquier
otro aparato que funcione con aire comprimido. Puede parecer algo extraño que
primero se purgue el aceite del aire y después se mezcle, pero hay que tener en
cuenta que el aceite que se filtra, es el aceite que se origina en el compresor y este
aceite es emulsionado con agua y no posee las mismas propiedades de lubricación
que tenía antes, es por eso que se instala un sistema de lubricación en los puntos
de salida de la red. En la figura 7 se observa el funcionamiento de un lubricador,
el aire es el que se encarga de desplazar el aceite en el sifón L por medio de una
diferencia de presión, obligando a que el aceite llegue a la cúpula de alimentación
donde es goteado y atomizado mezclándose con el aire comprimido que fluye a
través de p1 a p2.
22
Figura 7. Lubricador.
Fuente: Festo Pnematics 2002.
El sistema de distribución es la base de toda la red neumática, por lo tanto, un
buen análisis y diseño del sistema es indispensable para economizar en gran parte
los costos por mantenimientos e instalación, en el sistema de distribución es difícil
evitar las caídas de presión, debido, a que siempre van a existir perdidas, ya sea
por la fricción entre las tuberías, los cambios de direcciones bruscas o los
diferentes obstáculos que el aire se va encontrando a medida que se desplaza,
para minimizar estas caídas de presión, es necesario trabajar con velocidades de
flujo no muy altas, estas velocidades pueden oscilar entre 3m/s y 10m/s para
conseguir que la perdida de energía este entre los límites permisibles no
superando los 0.6 bar.
Para la distribución del aire comprimido se pueden encontrar tres tipos de
instalaciones en la figura 8 se muestran las tres instalaciones posibles:
Figura 8. Circuitos para la distribución del aire comprimido.
Fuente: propia.
23
Sistema abierto: este sistema de distribución se utiliza cuando no es
necesario realizar el tratamiento de secado (implementación de
secador), es más económico realizar este tipo de instalaciones, ya que
las longitudes de tubería se reducen, pero si se llega a producir una
avería en el sistema, todos los puestos de trabajo se paralizan.
Sistema cerrado o en anillo: este sistema es mucho más costoso, pero
mantiene la uniformidad de la presión y en caso de una avería los
puestos de trabajo pueden seguir funcionando.
Sistema circuito: este sistema es un sistema cerrado, solo que está
distribuido en diferentes zonas.
Para diseñar una red de distribución es necesario tener en cuenta el consumo
específico de cada máquina y herramienta, existen muchas tablas las cuales
brindan esta información en Nm^3/min (metro cubico normal por minuto), además
de ello se recomienda tener la red elevada para facilitar las condiciones de
mantenimiento, mantener una inclinación de la tubería en un 3% para que la purga
del agua condensada y aceites sea más eficiente, se deben instalar válvulas de
paso para poder cerrar el flujo, en diferentes puntos determinados y para la toma
del aire en los puntos de utilización se recomienda hacerse como en la figura 9
para evitar que el agua condensada y los aceites se filtren en las herramientas de
trabajo, esta toma de aire es conocida como cuello de ganso.
Figura 9. Toma de aire cuello de ganso.
Fuente: Instituto Jovellanos. Madrid.
La humedad relativa es la relación entre la cantidad de humedad presente en el
aire y la cantidad total que el aire pudiera tener si estuviera en vapor saturado.
24
5.2 FASE DE DISEÑO
5.2.1 Desarrollo del levantamiento de planos. Se realizará el levantamiento de planos
isométricos de la tubería de distribución de aire y se hará el conteo de los equipos
a los cuales la red neumática abastece en los laboratorios de automatización,
mecanizado y robótica, y el laboratorio de eléctronica; se evaluará el uso diario
que ofrece los laboratorios teniendo en cuenta su punto máximo de operación para
determinar el consumo real de CFM´S; Se medirán las condiciones ambientales
en el lugar de la instalación, condiciones tales como la humedad, presión
atmosférica y temperatura.
Seguimiento de la red neumática. Se inició el recorrido en el nivel inferior del
bloque 1,2,3 de la Facultad Tecnológica, Universidad Distrital Francisco José de
Caldas donde se encuentra ubicado el compresor Atlas Copco GA 11, ahí se
identificó una tubería galvanizada cedula 40 de diámetro 22mm. El recorrido de la
red continuo en el laboratorio de robótica y CNC (primer piso) donde la tubería de
distribución es flexible (por esta tubería se transporta el aire de un piso a otro).
Posteriormente en los laboratorios de neumática, hidráulica, software y
metalografía (segundo piso) se encuentra una tubería rígida de polipropileno con
diámetros de 22 y 12mm. El recorrido de la red finalizó en el laboratorio de
electrónica (quinto piso) donde se encuentran ubicadas las plantas de
procesamiento. En la siguiente imagen se muestran algunas fotos donde se
evidencia los diferentes materiales de tubería.
Figura 10. Toma de fotos tuberías red neumática laboratorio automatización.
Fuente: propia.
25
Listado de accesorios de la red neumática: en conjunto de las acciones realizadas al seguimiento de la red neumática se realizó un listado preciso de los accesorios con los que cuenta la Facultad Tecnológica entre ellos hay elementos de unión como tes, tes reductoras, codos, válvulas de bola y reductores, ver tabla 1.
Tabla 1. Listado de todos los accesorios de la red de distribución
Accesorios Cantidad
Uniones 15
Codos 90° 16
Tes 9
Reductores 4
Tes reductoras 15
Válvulas de bola 5
Fuente propia.
Además de ello se registraron en el primer piso del bloque 1,2,3,4 un punto de distribución el cual se encarga de suministrar aire al CNC leadwell, este equipo cuenta con una pistola sopladora como accesorio la cual se utiliza para la limpieza de viruta y esquirla al finalizar el uso del equipo.
Siguiendo el recorrido de la red, en el segundo piso se encuentran establecidos seis puntos de distribución al interior del laboratorio de neumática, seis puntos de distribución en el laboratorio de hidráulica, cuatro puntos en la sala de software y diseño y, por último, dos puntos de distribución de aire en el pasillo ubicado entre la sala de software y las oficinas de los profesores.
Figura 11. Puntos de distribución de aire en el laboratorio de hidráulica.
Fuente: propia.
Continuando el seguimiento de la red neumática en el quinto piso donde termina el sistema de la red, se encuentran tres puntos de distribución.
Medición de tubería de la red neumática: una vez teniendo fijados los recorridos de la distribución de la red neumática se midió con el uso de un decámetro los tramos de la red en cada piso del bloque donde esta se encuentra instalada tal y como se muestra en la figura 12, para su posterior dibujo de planos.
26
Figura 12. Medida y seguimiento de red con el uso del decámetro, del bloque 1, 2, 3, 4.
Fuente: propia.
Figura 13. Medida desde el primer nivel del bloque, hasta el quinto nivel donde termina la red.
Fuente: propia.
Figura 14. Foto de la salida del compresor e inicio de la tubería de la red neumática.
Fuente: propia.
Se midieron los diámetros de cada tubería haciendo uso de un calibrador pie de rey digital para obtener una mayor precisión en la lectura, y se registran los datos, ya que la red tiene varios cambios de sección figura 15
27
Figura 15. Medición de la tubería con un calibrador digital.
Fuente: propia.
Por último, se realizó la medición de las mangueras que van conectadas a los puntos de distribución que se encuentran en uso figura 16, para los cálculos pertinentes. Aunque no todos los puntos de distribución de la red neumática se encuentran en uso, ya que no hay equipos que necesiten ser conectados en aquellos puntos, los cálculos para la selección de un secador acorde al paso de aire por el compresor son acordes a un funcionamiento completamente disponible de todos los puntos, garantizando así para posibles cambios o adición de equipos, su correcto funcionamiento con abastecimiento de aire 100% disponible en el momento que se desee en la Facultad.
Figura 16. Medición de la tubería flexible en los puntos donde se distribuye el aire.
Fuente: propia.
Levantamiento de planos. En esta parte se propone un esquema mediante el
cual se facilite la comprensión del análisis que se empleará en la red neumática
del laboratorio de automatización de la Facultad tecnológica, Universidad Distrital
Francisco José de Caldas, para estimar un consumo de caudal efectivo. Por lo
tanto, se realizó el seguimiento de la red, las mediciones correspondientes a
tubería y el listado de accesorios de esta.
28
Levantamiento de planos tubería galvanizada: en el primer piso del bloque se
encuentra el compresor Atlas Coco GA 11, el plano N°1 (ver anexos) muestra un
esquema de los accesorios y las dimensiones en mm de la tubería galvanizada de
diámetro de 22mm. La medición de esta tubería se realizó después del tanque
Obteniendo un total de longitud de tubería galvanizada de 3670mm.
Levantamiento de planos tubería flexible: Para estimar una longitud de tubería
flexible se realizó la medición de la distancia que recorre la tubería flexible, en los
planos N° 5 y 7 (ver anexos) se identifican dichas dimensiones, posteriormente se
agregó un sobredimensionamiento del 15% de la longitud total, debido al
enrollamiento y las curvaturas de la tubería, calculando una longitud estimada de
71047mm, donde:
𝐿𝐸 = 𝐿15% + 𝐿𝑇 (12)
𝐿𝐸= longitud estimada o sobredimensionada en mm
𝐿15%= longitud adicionada por curvaturas y enrollamiento de tubería en mm
𝐿𝑇 = distancia total de recorrido de la tubería en mm
𝐿𝐸 = 61780 ∗ 0.15 + 61780 = 71047 (13)
Levantamiento de planos tubería de polipropileno de diámetro de 22 y 12mm:
En los laboratorios de electrónica, neumática e hidráulica, se encuentran las
tuberías de polipropileno. En los planos N° 2, 3 ,4 y 6 (ver anexos) se representa
con líneas verdes las longitudes de la tubería de diámetro de 12mm y con líneas
azules las longitudes de tubería de diámetro de 22mm. Teniendo una longitud total
para la tubería de diámetro de 22mm de 50110mm y para la tubería de diámetro
de 12mm de 23760mm.
En la figura 17 se representa la distribución general de toda la red neumática identificando
los puntos de consumo, de los laboratorios de electrónica, robótica y CNC y neumática e
hidráulica. Se realiza el esquema, para una mayor comprensión de las longitudes
acotadas en los planos (ver anexos)
29
Figura 17. Esquema de la red de distribución de aire comprimido de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica.
Fuente: propia.
5.2.2 Determinación por monitoreo de las condiciones ambientales: Se determinó
por monitoreo las condiciones ambientales locales en el punto actual donde se
encuentra el compresor Atlas copco G11, lugar que será el mismo de la ubicación
final del secador de aire que será seleccionado objeto en este proyecto. Para
calcular la corrección de caudal, es necesario tener presente las condiciones
ambientales (temperatura, humedad relativa y presión) en las que se encuentra
trabajando el compresor.
Las mediciones se realizaron con dos tipos diferentes de sensores para realizar
una comparación en la lectura de datos de los dispositivos, y así tener una mejor
exactitud en las mediciones. Se utilizó un sensor de humedad DHT 11 keyes con
PCB, con una resolución de ± 0.1 °C y ± 1% RH, y con una exactitud de ± 2°C Y
± 5% RH. También se utilizó un dispositivo UNI-T A10T, con una resolución de ±
0.1 °C y ± 1% RH, y con una exactitud de ± 1°C Y ± 5% RH.
30
Figura 18. Sensores de humedad y temperatura UNI-T A10T y DTH11 Keyes con PCB.
Fuente: propia.
Conexión del Arduino: para poder realizar la medición con el sensor DTH11 es
necesario tener una tarjeta Arduino, la cual es una placa electrónica que permite
programar las lecturas que toma el sensor. En este caso se utilizó una tarjeta
Arduino UNO R3.
Figura 19. Tarjeta Arduino UNO R3.
Fuente: propia.
Para realizar la conexión del sensor se debe tener en cuenta los tres pines, donde
uno es la alimentación, otro es la tierra (GND) y el otro es la señal, la siguiente
imagen muestra un esquema de cómo se realizó la conexión.
31
Figura 20. Conexión Arduino.
Fuente: www.aprendiendoarduino.wordpress.com.
programación: La plataforma Arduino ofrece una gran variedad de librerías para
determinadas aplicaciones de la tarjeta, en este caso se descargó la librería que
proporciona Adafruit (Adafruit_Sensor.h), la cual facilita el proceso de
programación para la toma de datos del sensor DHT11. La programación se
desarrolló en la versión Arduino 1.8.9 (este programa se puede descargar
directamente de la página oficial ARDUINO).
El programa que se utilizó consta de tres parámetros, definición de variables,
función setup y función loop:
Definición de variables: En esta parte del programa se importa la librería, se
define la conexión del pin digital (en este caso, conexión pin 2 digital de la tarjeta
Arduino) y se define el tipo de sensor a utilizar (en este caso DH11)
Figura 21. Programación definición de variables.
Fuente: www.aprendiendoarduino.wordpress.com.
32
Función setup: En esta parte del programa se inicia el monitoreo mediante el
sensor.
Figura 22. Programación función setup.
Fuente: www.programarfácil.com.
Función loop: En esta parte del programa se define el tiempo que tardara el
programa en botar los datos (en este caso se programó a 5000, es decir cada
treinta segundos), también se definen las unidades en la cuales queremos leer los
datos (°C).
Figura 23. Programación función lopp.
Fuente: www.programarfácil.com
33
Toma de datos: Una vez ya instalada la librería y realizado el programa, se
conecta la tarjeta Arduino en el computador y se corre el programa, en este se van
guardando cada treinta segundos la toma de los datos ambientales en el punto de
la instalación.
La recopilación de datos obtenida se muestra en las gráficas en la sección de
anexos al finalizar el documento, con estos datos se procedió a realizar un cálculo
promedio y un cálculo de moda para las horas de medición, ya que dependiendo
de la información que muestran estos datos se corregirá la cantidad de agua a
remover del sistema además de tener un seguimiento ambiental controlado en la
ubicación del secador. Las variaciones en la temperatura y humedad del ambiente
están relacionadas con la determinación del secador a seleccionar:
El conjunto de los datos obtenidos a lo largo de una semana, realizando una toma
de datos desde las seis de la mañana hasta las dos de la tarde, con una pausa
desde las doce del mediodía hasta la una de la tarde, la toma de los datos
ambientales fue hecha en el mes de abril del año 2019 durante la primera semana
del mes, cuyo mes presenta gran cantidad de lluvias y altas temperaturas durante
el año, dándole un valor de mayor significado a los datos medidos, ya que se
pueden generalizar como los datos más críticos de trabajo durante el año, en los
que se tiene una menor temperatura y una mayor humedad. Estos datos que se
hacen críticos según la temporada del año, ya que en temporadas donde se
presenta el fenómeno del niño, que son las épocas de más calor y sequía del año,
no se encuentran problemas serios en lo que respecta al ambiente que puedan
afectar el funcionamiento de la red neumática al igual que problemas asociados a
la corrosión y a las impurezas, las condiciones de uso en los momentos críticos
van acumulando ciertas cantidades de agua son la guía de referencia para
conocer la cantidad de agua a remover del sistema.
Figura 24. Monitoreo de las condiciones ambientales en el punto de ubicación del compresor Atlas Copco GA11.
Fuente: propia
34
El promedio y la moda calculados para las diferentes horas de medición son los
siguientes:
Tabla 2. Promedio obtenido para los datos de porcentaje de humedad
6:00 a 7:00 am
7:00 a 8:00 am
8:00 a 9:00 am
9:00 a 10:00 am
12:00 m a 1:00 pm
1:00 a 2:00 pm
Lunes 80.858 75.208 69.841 66.958 69.875 74.066
Martes 80.941 79.158 67.667 67.20 83.983 83.758
Miércoles 83.858 79.108 74.341 65.933 86.483 84.583
Jueves 83.450 82.667 80.833 76.841 74.55 74.150
Viernes 83.067 78.941 74.341 72.367 63.225 74.450
Tabla 3. Promedio obtenido para los datos de temperatura
6:00 a 7:00 am
7:00 a 8:00 am
8:00 a 9:00 am
9:00 a 10:00 am
12:00 m a 1:00 pm
1:00 a 2:00 pm
Lunes 14.221 15.089 17.464 18.192 20.294 19.148
Martes 14.231 14.455 18 17.898 22.859 22.916
Miércoles 14.889 14.587 17.740 18.641 19.173 18.895
Jueves 14.967 15.044 16.021 17.208 18.053 18.692
Viernes 14.895 14.648 17.74 18.115 19.334 20.007
Tabla 4. Moda obtenida para los datos de porcentaje de humedad
6:00 a 7:00 am
7:00 a 8:00 am
8:00 a 9:00 am
9:00 a 10:00 am
12:00 m a 1:00 pm
1:00 a 2:00 pm
Lunes 81 78 70 67 69 74
Martes 81 79 67 67 85 85
Miércoles 85 79 74 65 87 88
Jueves 84 83 81 77 75 73
Viernes 83 79 74 72 62 74
Tabla 5. Moda obtenida para los datos de temperatura
6:00 a 7:00 am
7:00 a 8:00 am
8:00 a 9:00 am
9:00 a 10:00 am
12:00 m a 1:00 pm
1:00 a 2:00 pm
Lunes 14.3 15.3 17.6 18.2 19.5 19.6
Martes 14.2 14.4 18 17.9 24 24
Miércoles 14.8 14.6 17.7 18.8 18.6 18.6
Jueves 14.9 14.8 15.9 16.9 18 18.8
Viernes 14.8 14.5 17.7 18.3 19.6 19.5
Fuente propia.
35
5.2.3 Medición de temperatura del aire de comprimido: Para poder calcular la caída
de presión que existe en la red de neumática, es necesario conocer la temperatura
del fluido, por lo tanto, se realizó la medición de temperatura con el sensor UNI-T
A10T.
Primero se cerró la válvula que se encuentra en el laboratorio de CNC,
posteriormente se desconectó la tubería flexible que alimenta los laboratorios de
CNC y automatización, para poder insertar el pin (ver figura 25). Finalmente se
abrió la válvula dejando escapar un poco de aire para poder aproximar la medición
registrada en el sensor.
Figura 25. Medición de temperatura del aire comprimido.
Fuente: propia.
La medición registrada fue de 14.5°C, teniendo presente que las temperaturas de
trabajo oscilan entre 10-14°C, se decidió trabajar con una temperatura de 14°C.
5.2.4 Estimación carga de consumo efectiva: Para seleccionar un sistema de
tratamiento de aire se debe definir un caudal de funcionamiento, como el
compresor realmente no está trabajando a su máxima capacidad, es necesario
establecer el consumo real de caudal que el compresor está entregando, por lo
tanto, se realizó el cálculo de factores de utilización, corrección de caudal y de
consumos específicos de los equipos correspondientes, definiendo una situación
crítica donde todos los equipos funcionan al tiempo y a la máxima presión de
trabajo (6 bar).
Cálculo de consumo de equipos: En la figura 17 se muestra el esquema de
distribución de la red neumática y los diferentes equipos que está abastece donde
se identifican los siguientes equipos:
36
Pistola de aire o sopladora DG-10: Esta pistola de aire se encuentra instala en
el punto de alimentación del CNC, cuya función es levantar la viruta que generan
el centro de mecanizado, en la tabla 6 y 7 se identifican una estimación del
consumo específico y del factor de utilización respectivamente de esta
herramienta.
Tabla 6. Consumo especifico de herramientas y factores de utilización.
DESIGNACIÓN Consumo en N m^3/min
Llaves de impacto con árbol cuadrado 1/2" 0,5
Llaves de impacto con árbol cuadrado 3/4" - 1/2" 0,90/1,50
Llaves de impacto con árbol cuadrado 11/2" - 21/2" 1,8
Fresadoras radiales, fresa 10/12 mm Ø 0,30/0,40
Fresadoras de ángulo, fresa 12/15 mm Ø 0,30/0,40
Llaves de carraca, cabezal cerrado, M 7-M 12 0,4
Llaves de carraca, cabezal abierto, M 10-M 16 0,4
Sierras para aluminio, plásticos, hasta 15/40 mm 0,90/2,70
Cizallas, espesor chapa mm 3,5 h°, 4 alum. 0,9
Cizallas, espesor chapa mm 6 h°, 6 alum. 2,7
Motores neumáticos 0,45 CV 0,5
Motores neumáticos 1 CV 0,875
Motores neumáticos 1,4 CV 1,2
Bomba neumática 2,26/2,40
Elevador neumático, carga en kg 55/454 0,06/0,36
Pistoleta soplante 0,15
Pistolas de pintar 0,15
Fuente: Aire Comprimido de Enrique Carnicer.
Tabla 7. Factores de utilización.
Factores de utilización
Atornilladores 25 %
Amoladoras 40 %
Remachadores 50 %
Taladros 25 %
Lijadoras 50 %
Roscadoras 30 %
Pistoleta de limpieza 10 %
Máquinas de soldar 70 %
Fuente: Aire Comprimido de Enrique Carnicer.
37
Centro de mecanizado Leadwell V-20i: En el laboratorio de robótica y CNC
(primer piso) se encuentra un centro de mecanizado el cual se basa en la
programación por código G, este equipo tiene un consumo especifico de 3,6 cfm
(según referencia del equipo).
Figura 26. Centro de mecanizado Leadwell V-20i.
Fuente: Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica.
Para calcular el factor de utilización se empleó la siguiente formula, donde:
𝑓 =𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑞𝑢𝑖𝑛𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎
𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎 (14)
Se identificó el horario de funcionamiento de la maquina considerando una
situación crítica donde la maquina trabaje todo el tiempo, dando como
resultado un total de 20Hr por semana. Donde:
𝑓 =20𝐻𝑅
168𝐻𝑅= 0.119 (15)
Por lo tanto, se trabajó con un consumo especifico de 3,6 cfm con un factor
de utilización del 12%.
Sistemas de Amatrol: En la sala de control (laboratorios de electrónica quinto
piso) se encuentra un sistema de control de proceso de nivel y flujo (Amatrol
T5552), un sistema de control de procesos de presión (Amatrol T5555) y un
38
sistema de control analítico (Amatrol T5554), los cuales son alimentados por la red
neumática. Estos sistemas de control poseen un solo actuador neumático, la cual
es una válvula proporcional que funciona entre una presión de 0,2 -1 bar,
definiendo una salida por medio de una señal eléctrica, por lo tanto, el consumo
específico para estas válvulas es de 100 L/min para un diámetro de ¼ in.
Figura 27. Planta de control de procesos de presión T5555.
Fuente: propia.
Para el cálculo del factor de utilización se empleó la ecuación 14 y se realizó el
mismo procedimiento que se desarrolló para determinar las horas de
funcionamiento del CNC (ecuación 15), determinando un total de 22 Hr de
funcionamiento.
Donde:
𝑓 =22𝐻𝑅
168𝐻𝑅= 0.1309 (16)
Por lo tanto, para las plantas de control se considera un factor de utilización del
13%
Bancos modulares Festo neumática: En el laboratorio de neumática (segundo
piso) se encuentran cinco bancos modulares los cuales abastecen válvulas,
electroválvulas, servoválvulas, y actuadores (cilindros simple y doble efecto). Para
la estimación del consumo especifico por banco, se identificó la cantidad de
actuadores neumáticos donde se encontraron cuatro cilindros de simple efecto y
39
dos cilindros de doble efecto y posterior mente se procedió al cálculo, donde se
emplearon las siguientes formulas:
𝑄𝑆 = 𝑉𝐴 ∗ 𝐴𝐸 ∗ 2118.882 (17)
𝑄𝐷 = (𝑉𝐴 ∗ 𝐴𝐸 + 𝑉𝑅 ∗ (𝐴𝐸 − 𝐴𝑉)) ∗ 2118.882 (18)
Donde:
𝑄𝑆 = consumo especifico del cilindro de simple efecto en cfm
𝑄𝐷 = consumo especifico del cilindro de doble efecto cfm
𝑉𝐴 = velocidad de avance en m/s
𝑉𝑅 = velocidad de retroceso en m/s
𝐴𝐸 = área del embolo en 𝑚2
𝐴𝑉 = área del vástago en 𝑚2
Nota: el valor de 2118.882 es un factor de conversión
Se desarrolló una práctica, realizando una configuración sencilla (ver figura 28)
donde se utilizó una válvula 5/2 con activación manual, una válvula 3/2 con
activación manual, un cilindro de simple efecto y un cilindro de doble efecto;
para poder determinar los tiempos de avance y retroceso de los cilindros
neumáticos, donde se cronometró los siguientes tiempos ver tabla 8:
Tabla 8. Mediciones de tiempos de avance y retroceso actuadores
CILINDRO DOBLE EFECTO CILINDRO SIMPLE
Tiempo de avance (s)
Tiempo de retroceso (s)
Tiempo de avance (s)
0,22 0,25 0,15
0,28 0,23 0,15
0,2 0,24 0,16
0,22 0,2 0,14
0,25 0,23 0,13
0,2 0,21 0,15
0,21 0,2 0,1
0,21 0,23 0,12
0,21 0,22 0,1
0,23 0,2 0,14
Promedio: 0,223 Promedio: 0,221 Promedio: 0,134
Fuente propia.
40
Figura 28. Conexión para activación de los actuadores.
Fuente: propia.
Hay que aclarar que se trabajó con una presión de 6 bar, para obtener las mayores
velocidades posibles, ya que, estas son directamente proporcionales al caudal
suministrado. Para las dimensiones de los cilindros se especificó su referencia en la
página principal de Festo y se buscaron las fichas técnicas correspondientes de dichos
elementos consignado la información en la tabla 9.
Tabla 9. Datos cilindros de simple y doble efecto
Datos cilindro simple efecto Datos cilindro doble efecto
Ø Émbolo (mm) 20 Ø Émbolo (mm) 20
Lc (mm) 50 Lc (mm) 100
t avance (s) 0,13 t avance (s) 0,2
t retroceso (s) 0,22
Ø Vástago (mm) 8
Fuente propia.
Para el cálculo de la velocidad se empleó la siguiente ecuación:
𝑉 =𝐿𝑐
𝑡 (19)
41
Dónde: Lc es la longitud de carrera en m, V la velocidad en m/s y t el tiempo
promedio cronometrado en segundos (ver tabla 8)
Utilizando las ecuaciones 17,18 y 19 se obtienen los siguientes caudales:
𝑄𝑆 =0.05
0.13∗
𝜋
4(0.02)2 ∗ 2118.882 = 0.256 𝑐𝑓𝑚 (20)
𝑄𝐷 = (0.1
0.2∗
𝜋
4(0.02)2 +
0.1
0.22∗
𝜋
4(0.022 − 0.0082) ∗ 2118.882 = 0.587𝑐𝑓𝑚 (21)
Para el cálculo del factor de utilización se empleó la ecuación 14 y se realizó el
mismo procedimiento que se desarrolló para determinar las horas de
funcionamiento del CNC (ecuación 15), determinando un total de 46 Hr de
funcionamiento por semana para los bancos modulares.
Donde:
𝑓 =46𝐻𝑅
168𝐻𝑅= 0.273 (22)
Por lo tanto, para los consumos específicos de 0.26 cfm de los cilindros de simple
efecto y 0.59 cfm de los cilindros de doble efecto; se trabajaron con un factor de
utilización del 27%
Con la información anterior se desarrolló la tabla 10 donde se aprecia la demanda
de aire total (5.214cfm), la cual corresponde a la suma de las demandas de aire
de todos los equipos y herramientas, esta demanda de aire por equipo, se calculó
multiplicando los consumos específicos y factores de utilización con la cantidad de
equipos correspondientes.
Tabla 10. Cálculo de carga de consumo efectiva
EQUIPOS CANTIDAD PRESIÓN
(bar)
Sistemas de Amatrol 3 6
Bancos neumáticos Cilindro neumático de simple efecto 20 6
Cilindro neumático de doble efecto 10 6
CNC 1 6
Pistoleta sopladora 1 6
Fuente propia
42
Tabla 10. (Continuación)
CONSUMO ESPECÍFICO (scfm) FACTOR DE UTILIZACION
DEMANDA DE AIRE (scfm)
3,5 13% 1,365
0,26 27%
1,404
0,59 1,593
3,6 12% 0,432
4,2 10% 0,42
Total: 5,214
Fuente propia.
5.2.5 Corrección de caudal: Según la norma ISO1217 se debe aplicar los factores de
corrección por temperatura, altura y humedad, debido, a que los compresores
están estandarizados bajo unas condiciones de trabajo a 1 bar, a una temperatura
ambiente de 20°C y con un porcentaje de humedad relativa del 40%. Es por esta
razón que se aplican los factores de corrección, ya que las condiciones
ambientales en las que se encuentra instalado el compresor Atlas Copco GA 11
son diferentes a las condiciones estandarizadas.
Para el cálculo de los factores de corrección, se aplica la ecuación 23, en la cual
se corrige la temperatura la humedad y la presión ambiente con un solo factor de
corrección, donde:
Pb = Presión barométrica o atmosférica en el punto de instalación.
RHa = Humedad relativa en el punto de servicio.
Pva = Presión de vapor de agua saturada a la temperatura del punto de
servicio.
Ps = Presión de trabajo estandarizada.
RHs = Humedad relativa estandarizada.
Pvs = Presión de vapor de agua saturada a la temperatura estandarizada.
𝐹𝐶 =𝑃𝑏 − (𝑅𝐻𝑎 ∗ 𝑃𝑣𝑎)
𝑃𝑠 − (𝑅𝐻𝑠 ∗ 𝑃𝑣𝑠) (23)
43
Como se puede observar en la ecuación 23, en el numerador se encuentran las
condiciones reales bajo las cuales trabaja el compresor, y en el denominador se ubican
las condiciones estandarizadas de trabajo. Por lo tanto, el factor de corrección va a ser
menor que la unidad.
Teniendo presente las tablas 2, 3, 4 y 5, se decidió trabajar con la temperatura máxima
registrada de 24°C y con un porcentaje de humedad relativo del 81%. Entonces el factor
de corrección es a igual a:
𝐹𝐶 =0.75 − (0.81 ∗ 0.03)
1 − (0.4 ∗ 0.0234)= 0.732 (24)
En la tabla 11 se agregan unos porcentajes de sobredimensionamiento del consumo
efectivo estándar (5.214 scfm), en los cuales se tiene presente las perdidas por fugas, la
reserva de aire, la estimación del error por mediciones y cálculos, y un
sobredimensionamiento que representa un margen de consumo extra de futuros equipos,
estos porcentajes se tomaron en referencia a la norma ISO 1217.
Tabla 11. Porcentajes de sobredimensionamiento
CORRECCIÓN DE CONSUMO
Perdidas por fugas 10% 0,5214
Errores 15% 0,7821
Reserva 25% 1,3035
sobre dimensionamiento 25% 1,3035
Total: 3,9105
Fuente propia.
Por lo tanto, el consumo que se corregirá con el factor de corrección es la suma de la
demanda de aire más la demanda por pérdidas, fugas, errores y sobredimensionamiento,
teniendo:
𝑄 = 5.214 𝑆𝐶𝑀 + 3.9105 𝑆𝐶𝐹𝑀 = 9.1245 𝑆𝐶𝐹𝑀 (25)
Aplicando el factor de corrección se obtiene:
𝑄𝑐 =9.1245
0.732= 12.465 𝐶𝐹𝑀 (26)
44
5.2.6 Cálculo de caída de presión: A continuación, se define las velocidades de
desplazamiento del aire, los coeficientes de rugosidad, las longitudes equivalentes
por accesorios, la longitud de tubería lineal y los diámetros internos de cada
tubería, para poder desarrollar los cálculos correspondientes a caída de presión.
Para la temperatura se tiene presente la sección 6.2.3 del documento donde se
estimó un valor de 14°C, y se considerara una presión de trabajo máxima de 6 bar.
Cálculo de velocidades de flujo: Las velocidades se calcularon en función del
caudal corregido (calculado en la ecuación 26) y los diferentes diámetros
correspondientes de tubería, obteniendo la siguiente ecuación:
𝑣 =𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑐𝑓𝑚
𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑐𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑜∗
1
2118.882 (27)
Como se evidencia en los planos (anexos) se encuentran las tuberías de 22 y
12mm de diámetro, por lo tanto, se obtiene dos velocidades diferentes. Donde:
𝑣Ø22 =4 ∗ 12.465
𝜋 ∗ 0.0222∗
1
2118.882= 15.48
𝑚
𝑠 (28)
𝑣Ø12 =4 ∗ 12.465
𝜋 ∗ 0.0122∗
1
2118.882= 52.01
𝑚
𝑠 (29)
Índice de rugosidad: En la tabla 12 se muestran los índices de rugosidad para
diferentes tipos de materiales, para la tubería flexible y la de polipropileno se utilizó
un índice de rugosidad de 0.0015, debido a que son tuberías lisas. Para la tubería
galvanizada se utilizó un índice de rugosidad de 0.15.
45
Tabla 12. Índices de rugosidad
Material Coeficiente de
Manning n
Coef. Hazen-Williams
𝑪𝐇
Coef. Rugosidad Absoluta e (mm)
Asbesto cemento 0,011 140 0,0015
Latón 0,011 135 0,0015
Tabique 0,015 100 0,6
Hierro fundido (nuevo) 0,012 130 0,26
Concreto (ciembra metálica) 0,011 140 0,18
Concreto (ciembra madera) 0,015 120 0,6
Concreto simple 0,013 135 0,36
Cobre 0,011 135 0,0015
Acero corrugado 0,022 -- 45
Acero galvanizado 0,016 120 0,15
Acero (esmaltado) 0,01 148 0,0048
Acero (nuevo, sin recubrimiento) 0,011 145 0,045
Acero (remachado) 0,019 110 0,9
Plomo 0,011 135 0,0015
Plástico (PVC) 0,009 150 0,0015
Madera (duelas) 0,012 120 0,18
Vidrio (laboratorio) 0,011 140 0,0015
Fuente: Computer Applications in Hydraulic Engineering, 5ta Edition Haestad Methods.
Longitud equivalente en accesorios: En la tabla 1 se muestra la cantidad de
accesorios de toda la red, sin tener presente el tipo de tubería al cual van
acoplados, Por esta razón se plantea la tabla 13, donde se tiene presente el
material, los diámetros correspondientes y la longitud equivalente de tubería.
46
Tabla 13. Longitud equivalente de accesorios
Tubería polipropileno Ø 22mm
Accesorios Longitud equivalente (m) Cantidad Total
Uniones 0,4 11 4,4
Reductores 0,5 4 2
Tes 1,1 5 5,5
Tes reductora 2 15 30
Codos 0,2 5 1
Válvulas de bola 0,27 2 0,54
Tubería acero galvanizado Ø22mm
Accesorios Longitud equivalente (m) Cantidad Total
Uniones 0,4 1 0,4
Codos 0,2 5 1
Tes 1,1 1 1,1
Válvulas de bola 0,27 3 0,81
Tubería polipropileno Ø12 mm
Accesorios Longitud equivalente (m) Cantidad Total
Uniones 0,3 3 0,9
Codos 0,1 6 0,6
Tubería flexible Ø12 mm
Accesorios Longitud equivalente (m) Cantidad Total
Tes 1,4 3 4,2
Fuente propia.
Longitud lineal de tubería: Se desarrolló la tabla 14 sumando las longitudes de
tubería y clasificándolas por material y diámetro, para facilitar los cálculos que se
realizaran al estimar la caída de presión:
47
Tabla 14. Longitudes de tubería
Clasificación de tuberías y longitudes
Material Polipropileno Galvanizado flexible
Ø externo (mm) Ø22 Ø 12 Ø22 Ø12
Ø interno (mm) 17 10 19 10
Longitud tubería (m) 50,11 23,76 3,67 71,047
Longitud equivalente acc(m) 43,44 1,5 3,31 4,2
Longitud total (m) 93,55 25,26 6,98 75,247
Fuente propia.
Teniendo presente la información anterior, se emplea la ecuación 30 que se encuentra
en el libro “Aire Comprimido de Enrique Carnicer Royo (pág 217)”
𝛥𝑝 = 𝛽
𝑅𝑇∗
𝑣2
𝐷∗ 𝑙 ∗ 𝑃 (30)
Donde:
𝛥𝑝 = Caída de presión en bar.
𝑃 = Presión en bar
𝑅 = Constante de del aire equivalente a 29,27
𝑇= temperatura absoluta
𝐷 = Diámetro interior de tubería en mm
𝐿 = Longitud de tubería en m
𝑣 =velocidad del aire en m/s
𝛽 =índice de rugosidad
Como se tienen diferentes diámetros y materiales de tubería, se procedió a aplicar la
ecuación 30 varias veces, debido a que los valores de velocidad, rugosidad y diámetro
no son los mismos, además de eso se suman las longitudes equivalentes y lineales para
obtener los siguientes resultados:
48
Cálculo de caída de presión en la tubería de polipropileno de 22mm de diámetro:
Δp𝟏 =0.0015
29.27 ∗ (14 + 273.15)∗
15.482
17∗ 93.55 ∗ (0.75 + 6) = 1.58 ∗ 10−3 (31)
Cálculo de caída de presión en la tubería de polipropileno de 12mm de diámetro:
Δp𝟐 =0.0015
29.27 ∗ (14 + 273.15)∗
522
10∗ 25.26 ∗ (0.75 + 6) = 8.23 ∗ 10−3 (32)
Calculo de caída de presión en la tubería galvanizada de 22mm de diámetro:
Δp𝟑 =0.15
29.27 ∗ (14 + 273.15)∗
15.482
19∗ 6.98 ∗ (0.75 + 6) = 1.06 ∗ 10−2 (33)
Cálculo de caída de presión en la tubería flexible de 12mm de diámetro:
Δp𝟒 =0.0015
29.27 ∗ (14 + 273.15)∗
522
10∗ 75.247 ∗ (0.75 + 6) = 2.45 ∗ 10−2 (34)
La caída de presión total equivale a la suma de todas las pérdidas que se ocasionan en
toda la red neumática, donde:
𝛥𝑝𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝛥𝑝1 + 𝛥𝑝2 + 𝛥𝑝3 + 𝛥𝑝4 (35)
Reemplazando
𝛥𝑝 = 1.58 ∗ 10−3 + 8.23 ∗ 10−3 + 1.06 ∗ 10−2 + 2.45 ∗ 10−2 = 4.49 ∗ 10−2 (36)
49
Por lo tanto, se obtiene una caída de presión de 0.0449 bar en la red neumática de la
universidad Francisco José de Caldas de la Facultad Tecnológica, Bloque 1,2,3,4 La
siguiente tabla recopila los datos calculados para la caída de presión (tabla 15).
Tabla 15. Información para el cálculo de caída de presión
Cálculo de caída de presión
Material Polipropileno Galvanizado flexible
Ø externo (mm) Ø22 Ø 12 Ø22 Ø12
Long tubería (m) 50,11 23,76 3,67 71,047
Long equivalente accesorios (m)
43,44 1,5 3,31 4,2
Long total (m) 93,55 25,26 6,98 75,247
rugosidad absoluta 0,0015 0,15 0,0015
Velocidad (m/s) 15,48 52 15,48 52
Caída de presión (bar) 0,001589 0,008228 0,010605 0,024511 Total:
0,044933
Fuente propia.
5.2.7 Calculo para la cantidad de agua a remover: Entre otros cálculos para realizar
un factor de corrección adecuado a la selección del sistema secador que se
implementara para el compresor Atlas Copco GA11 se tiene en cuenta la cantidad
de agua a remover, esta corrección es importante tenerla en cuenta ya que el aire
a presión atmosférica contiene grandes cantidades de agua, que son absorbidas
por el compresor atravesando por un proceso de condensación a medida que fluye
el aire comprimido por las redes de distribución.
La cantidad de agua que se encuentra por cantidad de aire está relacionada con
las condiciones climáticas, la absorción de este aire depende de la capacidad del
compresor, este según sus dimensiones físicas y capacidad de trabajo absorbe en
mayor o menor cantidad de aire. Es conveniente siempre realizar este cálculo, ya
que según esa relación se puede almacenar una cantidad significativa de aire al
interior de las tuberías generando desgastes y oxidación; estas gotas de agua al
interior se van desplazando por medio del flujo del aire hasta llegar a las tuberías
de servicio, causando daños a los equipos en cada abastecimiento de aire.
El agua en la red neumática es una consecuencia del hecho que la presión de
trabajo del compresor la cual oscila entre los 6 y los 10 bar no mantiene el vapor
de agua que se encuentra a la presión atmosférica. A medida que varía esta
50
presión en el flujo del aire, el vapor de agua se va condensando, además de la
disminución térmica en el aire de trabajo.
Los análisis respecto a la humedad en el ambiente se refieren al estudio de la
psicrometría, esta se basa en la medida para saber cuánta cantidad de vapor de
agua está contenido en el aire, este análisis se realiza en los estudios y proyectos
con aire comprimido y redes neumáticas, pero la psicrometría también se lleva a
cabo sin importar que el aire no sea comprimido; este estudio se puede realizar
con cualquier tipo de gas que contenga vapor alguno.
Humedad absoluta: La humedad expresa una descripción de la condición a la
cual el aire contiene cantidades de vapor de agua variando claramente por las
condiciones atmosféricas locales, estas se diferencian por los cambios climáticos
del lugar, las estaciones del año, y su posición geográfica. La humedad absoluta
expresa la densidad del vapor de agua, en otras palabras, esta es la cantidad de
vapor de agua en una cantidad específica de aire seco.
La fórmula para el cálculo de la humedad absoluta está dada como kg (kilogramos)
de vapor de agua, entre kg de aire seco dando así un valor adimensional para los
efectos de factor de corrección.
Humedad de saturación: La humedad de saturación es una indicación de la
máxima cantidad de vapor de agua que puede estar contenida en una cantidad de
aire seco. Los factores externos como los ambientales varían las cantidades de
agua que se encuentran presentes en el aire, pero estos nunca van a exceder el
valor de saturación ya que es el valor máximo admitido por el gas en este caso el
aire.
Humedad relativa: Esta humedad hace referencia a la relación que tiene la
humedad absoluta y la humedad de saturación, esta relación da una medida
general de la humedad del aire como es el atmosférico que contiene grandes
cantidades de vapor de agua.
Se dice que hay una humedad relativa de 100% cuando la humedad absoluta es
igual a la humedad de saturación y que una humedad del 0% es cuando el aire
está sin humedad alguna o es un aire completamente seco. El porcentaje que
indica esta humedad relativa da a entender el grado de saturación que tiene el
aire.
Punto de roció: El punto de rocío indica una temperatura a la cual el aire se
encuentra en su nivel de saturación, y no se provocarán condensaciones siempre
51
y cuando la temperatura del aire se mantenga en el mismo valor o por encima de
este denominado punto de rocío; por el contrario, este se condensara cuando la
temperatura descienda del punto de rocío.
Una vez se entienden y se analizan estos conceptos se procede a determinar el cálculo
del agua remover contenido en el aire usando la ecuación 37,
𝐶𝐻2𝑂 = 𝑄𝑐 × 𝜌𝐻2𝑂 ×1
𝐻𝑟 (37)
Donde:
𝐶𝐻2𝑂: cantidad de agua a remover
𝑄𝑐: caudal total de aire
𝜌𝐻2𝑂: densidad del vapor de agua
𝐻𝑟: humedad relativa
Tabla 16. Datos medidos con el higrómetro en la ubicación del compresor.
Temperatura (°C) Presión (bar) Vol. especifico m^3/kg Densidad g/m^3
14 0.016096 83.615 11.96
20 0.023385 57.790 17.3
22 0.0267474 52.018 19.22
24 0.0300298 46.245 21.62
Fuente propia.
El caudal tota de aire ya corregido da un valor de:
𝑄𝑐 = 12.456 𝑐𝑓𝑚
Para reemplazar este valor en la formula se convierte este valor de cfm a metros cúbicos
por minuto y así quedar con las mismas unidades para su operación. De este modo se
obtienen los siguientes cálculos, teniendo en cuenta los valores de la tabla 16, estos
cálculos se muestran organizados en la tabla 17:
52
𝑄𝑐 = 0.35271430992 𝑚3
𝑚𝑖𝑛⁄
𝐶𝐻2𝑂 𝑎 14°𝐶 = 0.35271430992 𝑚3
𝑚𝑖𝑛 × 11.96
𝑔
𝑚3 ×
1
0.81 = 5.207979
𝑔
𝑚𝑖𝑛 (38)
𝐶𝐻2𝑂 𝑎 20°𝐶 = 0.35271430992 𝑚3
𝑚𝑖𝑛 × 17.3
𝑔
𝑚3 × 1
0.81 = 7.533281
𝑔
𝑚𝑖𝑛 (39)
𝐶𝐻2𝑂 𝑎 22°𝐶 = 0.35271430992 𝑚3
𝑚𝑖𝑛 × 19.22
𝑔
𝑚3 ×
1
0.81 = 8.369344
𝑔
𝑚𝑖𝑛 (40)
𝐶𝐻2𝑂 𝑎 24°𝐶 = 0.35271430992 𝑚3
𝑚𝑖𝑛 × 21.62
𝑔
𝑚3 × 1
0.81 = 9.414423
𝑔
𝑚𝑖𝑛 (41)
Tabla 17. Resultados de la cantidad de agua a remover
Temperatura (°C)
Presión (bar)
Vol. especifico 𝑚3
𝑘𝑔⁄
Densidad 𝑔
𝑚3⁄
cantidad de agua a remover
𝑔𝑚𝑖𝑛⁄
14 0.016096 83.615 11.96 5.207979
20 0.023385 57.790 17.3 7.533281
22 0.0267474 52.018 19.22 8.369344
24 0.0300298 46.245 21.62 9.414423
Fuente propia.
5.3 FASE DE SELECCIÓN
Se analizaron diferentes tipos de catálogos las opciones que fueron tenidas en cuenta
según la medición de datos y los resultados arrojados por los cálculos fueron una gran
variedad de secadores entre ellos secadores de membrana, secadores refrigerativos,
de dos tipos, cíclicos y no cíclicos, secadores por adsorción y otros tipos de frigoríficos
y filtros que permiten la deshumidificación del aire comprimido.
53
Los cálculos obtenidos indicarán finalmente el tipo de secador que se necesita,
asegurando un adecuando tratamiento del aire comprimido; Para esto se buscaron la
mayoría de las empresas que comercializan los diferentes tipos de secadores en
Colombia y poder dar una selección al secador. Actualmente las empresas que
venden estos equipos en el país son:
KAESER COMPRESSOR
FESTO NEUMATICS
ATLAS COPCO
NEUMAIR
SFM
IMOCOM
H-TFI
ELECTROASE
Estas empresas manejan en sus productos una gran variedad de secadores
refrigerativos, secadores de membrana, secadores por adsorción, entre otros
productos para el tratamiento del aire neumático.
Los secadores son los equipos que deshumidifican el aire y los liberan de las
impurezas, entregando un fluido de trabajo limpio y listo para abastecer. En la Tabla
18 se aprecia la diferencia entre los secadores refrigerativos o frigoríficos, los
secadores por adsorción y los secadores por absorción.
El nivel 3 de calidad de aire al que se desea llegar es un nivel medio según la norma
ISO 8573 pero es el indicado para el uso que se da en la Facultad Tecnológica, los
secadores refrigerativos tratan el aire a un nivel medio y los secadores de adsorción
y absorción llevan la calidad a un nivel alto esto para industrias especializadas que
requieren estrictamente de este nivel muy superior. Es por ello que se preferirá el uso
de un secador refrigerativo para el tratamiento del aire para la red neumática, como
se puede observar en la tabla 18 los costos de compra, costos de servicio y los costos
de mantenimientos se mantienen bajos respecto de los otros tipos de secadores.
54
Tabla 18. Sistemas de secado.
Fuente: Aire comprimido Enrique Carnicer. (pagina140)
Se analizaron los catálogos que ofrecen las empresas para los múltiples secadores y
se observó que la empresa FESTO no cuenta con secadores refrigerativos por lo que
se tomó la decisión de descartar esta empresa en la selección, además las empresas
SFM y IMOCOM y ELECTROASE no disponen de catálogos para los productos de
tratamiento de aire, por lo que como las anteriores se descartaron en el proceso de
selección, realizando así un proceso de pre-selección entre las demás empresas, ya
que cada una tiene diferente variedad de equipos para la venta.
La empresa Atlas Copco ofrece 4 tipos de secadores refrigerativos, los cuales se
revisaron sus especificaciones y ficha técnica y se clasificaron en la tabla 19.
2 2 2 1
No
Factor
personalCoste de
compra
Absorción
química
N° de torres
Deshidratante
Regeneración
Energía
eléctrica
Condensación
frigorífica
Adsorción con regeneración del
deshídratante
1
Evaporador
frigorifico
Si
Pastillas
delicuescentes
Por reposición
No
Pérdida de
fluido
Coste de
servicioCoste de
mantenimiento
Alúmina AlúminaTamices
moleculares
-Media
temperaturaSin calor
Alta
temperaturas
Si
NoSegún punto
de rocíoSi Si
Bajo Medio
Medio Bajo Alto Bajo
Todas las
aplicaciones
Todas las
aplicaciones
Procesos
especialesProtección
Bajo Medio Bajo Alto
General. Punto
de rocío medio
Bajo
Utilización
Nulo
Si No
Bajo Medio Medio Medio Medio
Medio Alto Nulo
Sistema
Factor
55
Tabla 19. Modelos de secador refrigerativo de la empresa Atlas Copco.
Fuente propia.
La empresa Neumair se encarga de distribuir 6 secadores de tipo refrigerativo de la
marca FRIULAR, organizados en la tabla 20. También distribuye 2 secadores
refrigerativos de la marca Hankison los cuales se pueden apreciar en la tabla 21.
Tabla 20. Modelos de secador refrigerativo de la empresa Neumair, marca Friular.
Fuente propia.
56
Tabla 20. (Continuación)
Fuente propia.
Tabla 21. Modelos de secador refrigerativo de la empresa Neumair, marca Hankison.
Fuente propia.
La empresa Kaeser tiene 9 modelos de secador refrigerativo los cuales se indican en
la tabla 22.
57
Tabla 22. Modelos de secador refrigerativo de la empresa Kaeser.
Fuente propia.
Tabla 22. (Continuación)
Fuente propia.
58
La empresa H-TFI cuenta solo con un secador frigorífico para la venta, cuyas
especificaciones se encuentran resumidos en la tabla 23.
Tabla 23. Modelos de secador refrigerativo de la empresa H-TFI.
Fuente propia.
Mediante el análisis de los catálogos de secadores se pre-seleccionaron las empresas
Atlas Copco con los modelos F5 y FD5, Neumair con la marca Friular y modelos ACT
3 y AMD 3 y la empresa Kaeser con los modelos TX 2 y TAH 5. Las opciones que
fueron tenidas en cuenta se preseleccionaron según los resultados obtenidos en el
cálculo del caudal total del compresor ya que este caudal es el caudal de entrada al
secador cuyo dato de selección lo entrega la empresa para cada equipo. Estos
secadores trabajan con el caudal que se calculó y caudales muy cercanos, mientras
que los otros secadores manejan caudales por debajo de los 12 cfm o muy por encima
de este caudal desviándose de los requerimientos, generando así un desperdicio en
costos y aprovechamiento.
La tabla 24 agrupa los modelos seleccionados por empresa para su selección final de
secador:
59
Tabla 24. Secadores frigoríficos.
Fuente propia.
Una vez seleccionados los equipos, se procede a corregir el caudal nominal con los
factores que brindan los diferentes catálogos, para poder definir el equipo que más se
ajuste a las condiciones de trabajo.
Corrección caudal nominal según catalogo AMD Dryer Series:
12𝑐𝑓𝑚 ∗ 0.93 ∗ 1.00 ∗ 1.11 ∗ 0.91 = 11.273𝑐𝑓𝑚 (42)
Corrección caudal nominal según catalogo ACT Dryer Series:
12𝑐𝑓𝑚 ∗ 0.93 ∗ 1.00 ∗ 1.20 ∗ 1.00 = 13.392𝑐𝑓𝑚 (43)
Corrección caudal nominal según catalogo TX Series:
10𝑐𝑓𝑚 ∗ 1.19 ∗ 1.12 = 13.328𝑐𝑓𝑚 (44)
Corrección caudal nominal según catalogo TAH Series:
12𝑐𝑓𝑚 ∗ 1.153 ∗ 1.09 = 15.08𝑐𝑓𝑚 (45)
Corrección caudal nominal según catalogo F Series: para la selección del secador
se corrige la demanda de aire en vez del caudal nominal (para este catálogo). Como
la demanda de aire corregida es de 8.264cfm (ecuación 46) no hay equipos de la serie
F que cumplan con este caudal.
60
12.456𝑐𝑓𝑚/(1.00 ∗ 1.57 ∗ 0.96) = 8.264𝑐𝑓𝑚 (46)
Corrección caudal nominal según catalogo FD Series: este catálogo no cuenta
con factores de corrección, por lo tanto, este equipo trabaja con un caudal de 13cfm
Se determinó la selección del secador refrigerativo TX SERIES modelo TX 2 de la
marca alemana, KAESER la cual cuenta con puntos de venta en Colombia, ya que
trabaja con un caudal de 10 scfm y 13.328 cfm con los factores de corrección
adecuados, además tiene una menor dimensión y un peso menor respecto a los
secadores de las Series ACT y TAH que también cuentan con un caudal de trabajo
corregido con valores cercanos a los que se necesitan.
La Serie TX de la empresa Kaeser está diseñado para dar máximas eficiencias, larga
durabilidad, y asegura bajas caídas de presión ya que cuenta con un intercambiador
de calor de tubos de cobre liso altamente eficiente y compacto. Los secadores TX
series permiten rápidas revisiones de mantenimiento ahorrando tiempos de
mantenimiento y costos además de evitar la detención de la producción o del servicio.
5.4 FASE DE ANÁLISIS DE RESULTADOS
En el proceso de la búsqueda de un secador de aire apropiado se inició ubicando las
empresas autorizadas en la venta de los secadores y los tipos de secadores que
tienen al mercado. Después de recopilar los datos de las empresas que se encuentran
en Colombia y tienen en la línea de productos neumáticos los secadores de aire
comprimido, se contactaron a las empresas que los ofrecen, por medio electrónico en
el cual unas de ellas brindaron únicamente sus catálogos para poder ubicar cuál de
estos están en el tipo de secador que se requiere.
Entre los tipos de secadores que las empresas ofrecen, están los secadores de
membrana, secadores por adsorción, secadores por absorción, secadores
desecantes, secadores refrigerativos o frigoríficos; se analizaron los secadores de tipo
frigoríficos los cuales satisfacen las necesidades para el tratamiento del aire a un nivel
3 que se necesita para el adecuado uso del aire sin perjudicar la red, siendo estos por
lo general más económicos en cuanto a la adquisición y al mantenimiento del secador.
Estos tienen un sistema de trabajo sencillo comparado a otros tipos de secadores,
pero son muy eficientes y están avalados con las normas ISO para la calidad del aire
comprimido.
61
Una vez las empresas kaeser, Atlas Copco, Neumair, Donaldson Ultrafilter enviaron
sus catálogos, se hizo un análisis detallado de los catálogos observando en ellos las
capacidades de trabajo de cada compresor, los fabricantes de cada secador ofrecen
características como presión de trabajo, flujo volumétrico, voltaje, potencia eléctrica
nominal, dimensiones, peso y punto de rocío, además de la ficha técnica y el
funcionamiento de estos productos. Los catálogos cuentan con tablas en las que
suministran datos con factores de corrección para ajustar los equipos a las
condiciones de trabajo propias de cada red y cada necesidad.
Haciendo uso de los factores de corrección para la temperatura de aire a la entrada
del secador, la temperatura de aire ambiente, la presión de trabajo y el punto de rocío
se multiplican entre ellos y se aplican a los datos estándar de los fabricantes,
realizando este ajuste se puede proceder a la elección del secador que es acorde con
la capacidad de trabajo del compreso y todo el sistema neumático de la Facultad
Tecnológica.
En esta sección se procede a desarrollar un análisis sobre la remoción de agua que
brindan los secadores preseleccionados (ver tabla 24). Para ello se tiene presente el
punto de roció que garantiza el secador y el caudal de trabajo.
La figura 29 muestra la cantidad de agua que se tiene en función del punto de rocío,
como los secadores seleccionados garantizan un punto de rocío de +3°C, +5°C y 7°C
se procede a trabajar con la ecuación 47:
𝐶𝐻2𝑂/𝑚𝑖𝑛 = 𝑄 ∗ 𝐶𝐻2𝑂/𝑚3 (47)
Donde:
𝐶𝐻2𝑂/𝑚𝑖𝑛, es la cantidad de agua que contiene el aire comprimido
𝑄, es el caudal de trabajo
𝐶𝐻2𝑂/𝑚3, es la cantidad de agua que hay en un metro cubico de aire comprimido
Aplicando la ecuación 47 con un punto de rocío de +3°C se obtiene:
0.35272𝑚3
𝑚𝑖𝑛∗ 6
𝑔
𝑚3= 2.12
𝑔
𝑚𝑖𝑛 (48)
Esto quiere decir que para los secadores ACT3, TX2, THA5 y el FD5, los cuales
garantizan un punto de 3°C, disminuyen la cantidad de 𝐻2𝑂 hasta un valor de 2.12 g/min.
Para el secador AMD3 que garantiza un punto de rocío de +5°C se tiene:
0.35272𝑚3
𝑚𝑖𝑛∗ 7
𝑔
𝑚3= 2.47
𝑔
𝑚𝑖𝑛 (49)
62
Para el secador F5 que garantiza un punto de rocío de 7°C, no se procede a realizar los
cálculos correspondientes, debido a que las correcciones que se realizaron con los
factores que ofrece el catalogo no satisfacen las necesidades de consumo. Además de
ello el punto de rocío de este equipo es más elevado que el que ofrecen otros equipos,
por lo tanto, removerá menor cantidad de agua debido a las condiciones de trabajo.
Figura 29. Punto de rocío.
Fuente: Festo Didactic.
Independientemente de la cantidad de agua que posea el sistema, los secadores
preseleccionados disminuirán esta cantidad a un valor 2.12g/min, por lo tanto, la
cantidad de agua removida, varía en función de la situación climática.
En este caso se considera la situación donde se calculó una mayor cantidad de agua,
la cual fue de 9.414 g/min (ver ecuación 41) y en función de este valor se procede a
calcular la cantidad de agua que remueven los secadores, si trabajan con un punto
de rocío de +3°C, donde se tiene la siguiente ecuación:
63
9.414𝑔/𝑚𝑖𝑛 − 2.12𝑔/𝑚𝑖𝑛 = 7.294𝑔/ min (50)
Esto quiere decir que el secador está removiendo una cantidad de agua de 7.294
gramos por minuto, por lo tanto, de los seis secadores preseleccionados, se descarta
el secador F5 debido a que no cumple con el consumo requerido, posteriormente se
descarta el secador AMD 3 por la cantidad de remoción de agua, la cual es menor
que la de los otros equipos.
Esto quiere decir que se tienen como opciones los secadores FD5, ACT3, TX2, y el
TAH5, por lo tanto, se selecciona el secador TX SERIES modelo TX 2 como mejor
opción debido a que trabaja con caudal de 13,328 cfm con los factores de corrección
para las condiciones de trabajo y demanda de aire la cual es de 12.456cfm.
A continuación, en la figura 30 se muestra el compresor y su esquema interno por el
cual atravesará el aire que será secado.
Figura 30. Esquema interno del secador TX SERIES de la marca KAESER.
Fuente: Catalogo compressed Air Dryers TX SERIES.
La empresa KAESER COMPRESORES con sede principal en Coburg, Alemania está
presente en la mayoría de los países latinoamericanos y cuenta con distribuidores y
puntos de venta en Colombia, a continuación, se encuentran los datos suministrados
por la página web oficial de la empresa para contacto en Colombia:
Empresa: KAESER COMPRESORES.
Teléfono: (+57 1) 7429393
E-mail: [email protected]
64
6. CONCLUSIONES
A continuación, se presenta un breve resumen sobre el procedimiento que se
desarrolló para la selección de un sistema de tratamiento de aire para los laboratorios
de Automatización de la Facultad Tecnológica, Universidad Distrital Francisco José
de Caldas.
Inicialmente, se llevó a cabo la recopilación de toda la información y documentación
que permitió el desarrollo del problema y se realizó el seguimiento de la red
neumática, listando los accesorios y las dimensiones de la tubería lineal,
clasificándolos por material y diámetro, una vez se desarrolló el isométrico general
para poder identificar las longitudes totales de tubería y la distribución de dicha red.
Se realizaron las mediciones correspondientes al lugar en el que se encuentra el
compresor (condiciones ambientales), obteniendo datos de temperaturas y
humedades relativas. Con la información obtenida se desarrolló un análisis para
determinar los valores con los que se realizaran los cálculos. También se determinó
mediante mediciones las propiedades del aire comprimido como la presión de trabajo
máxima, (6bar) y la temperatura del fluido (14°C).
Posteriormente se realizó una investigación y se desarrollaron los respectivos
cálculos para determinar los consumos específicos de los equipos de la facultad, ya
obtenidos los consumos, se realizó una estimación del factor de utilización en función
de las horas de servicio por semana en las cuales los equipos trabajan, obteniendo
una demanda de aire de 9.1245 scfm, incluyendo los porcentajes por perdidas, fugas,
reserva, errores y sobredimensionamiento adicional.
Según la norma ISO 1217 es necesario corregir el consumo si los equipos no trabajan
a unas condiciones de 1 bar a 20° C y con una humedad relativa del 40%. Por lo
tanto, se realizó la corrección del consumo, trabajando con las temperaturas máximas
y mínimas registradas en las mediciones, y se determinó que a mayor temperatura la
corrección de caudal era mayor, por lo tanto, se decidió trabajar con la temperatura
más alta registrada, obteniendo un caudal corregido de 12.456 cfm.
Una vez obtenido el caudal al cual trabaja el compresor, se calculan las perdidas por
accesorios y tuberías, calculando las pérdidas para los diferentes tipos y diámetros
de tubería, obteniendo una pérdida total de 0.0448 bar. También se calculó la
cantidad de agua que hay en un metro cubico de aire, para las temperaturas
promediadas.
Finalmente se procede en la búsqueda de un secador que cumpla con las
condiciones que se calcularon en el presente proyecto, teniendo presente las
distintas variaciones de temperatura y trabajo (demanda de aire) que se pueden
65
presentar durante el funcionamiento del equipo, definiendo como mejor opción un
secador por refrigeración que ofrece la empresa KAESER COPRESORES, TX
SERIES modelo TX 2.
66
7. BIBLIOGRAFÍA
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W. Deppert. K. Stoll. (2004). Dispositivos neumáticos . Barcelona, España: Alfaomega,
S.A Marcombo.
ANEXOS
60
65
70
75
80
85
90
PO
RC
ENTA
JE D
E H
UM
EDA
D (
%)
TIEMPO (MIN)
Humedad dia lunes
6-7 am
7-8 am
8-9 am
9-10 am
12-1 pm
2-1 pm
10
12
14
16
18
20
22
24
TEM
PER
ATU
RA
(°C
)
TIEMPO (MIN)
Temperetura dia lunes
6-7 am
7-8 am
8-9 am
9-10 am
12-1 pm
1-2 pm
60
65
70
75
80
85
90P
OR
CEN
TAJE
DE
HU
MED
AD
(%
)
TIEMPO (MIN)
Humedad dia martes
6-7 am
7-8 am
8-9 am
9-10 am
12-1 pm
1-2 pm
10
12
14
16
18
20
22
24
26
TEM
PER
ATU
RA
(°C
)
TIEMPO (MIN)
Temperatura dia martes
6-7 am
7-8 am
8-9 am
9-10 am
12-1 pm
1-2 pm
60
65
70
75
80
85
90P
OR
CEN
TAJE
DE
HU
MED
AD
(%
)
TIEMPO (MIN)
Humedad dia miercoles
6-7 am
7-8 am
8-9 am
9-10 am
12-1 pm
1-2 pm
12
14
16
18
20
22
TEM
PER
ATU
RA
(°C
)
TIEMPO (MIN)
Temperatura dia miercoles
6-7 am
7-8 am
8-9 am
9-10 am
12-1 pm
1-2 pm
60
65
70
75
80
85
90P
OR
CEN
TAJE
DE
HU
MED
AD
(%
)
TIEMPO (MIN)
Humedad dia jueves
6-7 am
7-8 am
8-9 am
9-10 am
12-1 pm
1-2 pm
12
13
14
15
16
17
18
19
20
TEM
PER
ATU
RA
(°C
)
TIEMPO (MIN)
Temperatura dia jueves
6-7 am
7-8 am
8-9 am
9-10 am
12-1 pm
1-2 pm
60
65
70
75
80
85
90P
OR
CEN
TAJE
DE
HU
MED
AD
(%
)
TIEMPO (MIN)
Humedad dia viernes
6-7 am
7-8 am
8-9 am
9-10 am
12-1 pm
1-2 pm
12
14
16
18
20
22
24
26
TEM
PER
ATU
RA
(°C
)
TIEMPO (MIN)
Temperatura dia viernes
6-7 am
7-8 am
8-9 am
9-10 am
12-1 pm
1-2 pm
