1

MANEJO DE FLUIDOS Para el desarrollo del tema manejo de fluidos (líquidos y gases) adoptaremos una visión particular, más allá de respetar absolutamente todo lo concerniente tanto a la hidráulica como a la mecánica de los fluidos y demás teorías vigentes, que posibilitará al alumnado poder resolver problemas de manejo de fluidos con particular facilidad, rapidez y exactitud. En tal sentido, realizaremos primeramente una subdivisión particular de los ítems fundamentales involucrados en este tipo de manejo, agrupándolos de la siguiente manera: ELEMENTOS DE CONDUCCIÓN MANEJO DE FLUIDOS CARACTERÍSTICAS DE LOS FLUIDOS SISTEMAS DE ENERGIZACION 1-ELEMENTOS UTILIZADOS PARA LA CONDUCCIÓN DE FLUIDOS Estos elementos, denominados generalmente bajo el término de “cañerías”, cumplen un rol de suma importancia en las instalaciones de toda planta industrial, no solamente por permitir la “circulación de fluidos por su interior” sino porque además de ello, nos asegurarán realizarlo con: *Confiabilidad Operativa de los Procesos (a lo largo de la vida útil estipulada para los mismos) *Condiciones de Seguridad frente a los Trabajadores (ya que resulta común conducir fluidos altamente peligrosos como ser combustibles, líquidos y gases altamente corrosivos y tóxicos además de otros a altísimas temperaturas y presiones) Definidas así las cañerías decimos que al movimiento de líquidos, a una determinada presión, dentro de las mismas, suele denominárselo como “escurrimiento en cañerías”. Las dimensiones de la sección transversal de estas conducciones, varían notablemente desde unos pocos centímetros de diámetro en cañerías utilizadas en plantas industriales para la distribución de distintos servicios, hasta de varios metros en conductos de alimentación a centrales hidroeléctricas. Para las primeras existen dimensiones y materiales estandarizados (de uso comercial) a las cuales generalmente se debe sujetar todo proyecto. En cambio, las segundas, se fabrican especialmente con dimensiones, materiales y demás exigencias resultantes o requeridas en cada proyecto en particular. Generalmente las cañerías (caños y tubos) son de sección circular y con su eje longitudinal rectilíneo o de muy pequeña curvatura. Se las fabrica de aceros al carbono y aleados, de fundición de acero, de hormigón, de materiales no ferrosos como así también de diversos termoplásticos de ingeniería, de acuerdo tanto al tipo de fluido a transportar como de las condiciones con que éste debe ser operado en los procesos intervinientes. Para satisfacer estas condiciones, se hace necesario que tanto los materiales empleados en la construcción de las mismas como los espesores de pared, tolerancias de fabricación, rugosidades internas, tipos de accesorios y demás cuestiones propias de las mismas, respondan a normas específicas para cada servicio. Se indican a continuación una serie de normas1

1 Se indica para cada una de ellas, el uso frecuente o más común en la industria.

nacionales e internacionales que serán tenidas en cuenta en este tratado, para el desarrollo de alguno de los temas abordados: IRAM - Instituto Argentino de Normalización y Certificación (Normas de aplicación local)

2

ASME - American Society of Mechanical Engineers (Código para diseño y ensayos de recipientes sometidos a presión) ASTM - American Society for Testing and Materials (Especificaciones para ensayos y métodos de prueba de materiales para cañerías, accesorios de cañerías, chapas para recipientes, etc.) API - American Petroleum Institute (Especificaciones para cañerías, accesorios y equipos utilizados en la industria del petróleo) ANSI - American National Std. Institute (Especificaciones para dimensiones de cañerías y accesorios. Valores de tensiones admisibles de trabajo para distintos materiales y procesos de fabricación en función de la temperatura de trabajo, etc.) ISO - International Organization for Standarization (Organismo encargado de promover el desarrollo de normas internacionales de fabricación, comercio y comunicación para todas las ramas industriales a excepción de la eléctrica y la electrónica. AWS - American Welding Society (Especificaciones para diseño y ejecución de soldaduras) AISI - American Iron and Steel Institute (Especificaciones para aceros inoxidables) SAE - Society of Automotive Engineers (Especificaciones de aceros al carbono y aleados) DIN - Deutches Institut fur Normung E.V. (Normas alemanas) 1.1-CONSIDERACIONES GENERALES PARA LA SELECCIÓN DE CAÑERIAS La correcta elección del material para una determinada aplicación, en la mayoría de los casos exige una resolución que dependerá fundamentalmente de cuestiones técnicas-económicas para cuyo análisis describimos los siguientes factores a considerar: Condiciones de presión y temperatura máxima de trabajo: El material seleccionado debe resistir las condiciones máximas de presión y temperatura para la cual se diseña el sistema. Es importante definir con precisión, teniendo presente la normativa exigible, tanto los datos de operación como los de diseño2

2 Los datos que se utilizan para el diseño, provienen de los valores reales de operación de los equipos, afectados por algún coeficiente de seguridad (normalmente mayores a la unidad).

. Características del fluido conducido: Debe conocerse, con la mayor precisión posible, la naturaleza y características del fluido a transportar como ser: P.H., densidad, cantidad y tamaño de sólidos en suspensión, toxicidad, corrosividad, etc. Tipo de uniones a utilizar: El tipo de unión adoptada debe ser adecuada al diámetro de las cañerías a vincular brindando fundamentalmente estanqueidad, facilidades de mantenimiento y de limpieza, etc. otorgándole al sistema la confiabilidad esperada bajo condiciones extremas de servicio. Tensiones de trabajo: El material y diseño seleccionado para la cañería debe soportar las solicitaciones que surjan por las condiciones de presión, temperatura, tensiones por dilataciones, vibraciones, esfuerzos dinámicos, etc. propias del proceso en la que se hallan involucradas. Confiabilidad operativa y seguridad: Cuando se transportan fluidos del tipo peligrosos (combustibles, inflamables, tóxicos, etc.) que presentan un riesgo potencial de accidente, deben seleccionarse materiales, juntas, uniones y demás componentes cuyos comportamientos otorguen al sistema la necesaria confiabilidad y seguridad operativas. Costo del material: Una vez cubiertos los factores antes mencionados, aparece el factor costo de la instalación como factor importante a ser considerado. Para ello deberá tenerse en cuenta no solo el costo inicial de la instalación sino también el tiempo de duración de la misma para asegurar, con la selección adoptada, obtener el alcance de la vida útil esperada.

3

Los materiales normalmente utilizados para la construcción de cañerías podemos agruparlos en: SIDERÚRGICOS (ACEROS AL CARBONO, ALEADOS E INOXIDABLES Y FUNDICIONES) MATERIALES TERMOPLÁSTICOS (CLORURO DE POLIVINILO-PVC-, TEFLON, ETC.) OTROS (FIBROCEMENTO, HORMIGÓN, MATERIALES NO FERROSOS, ETC.) 1.2-FABRICACION DE CAÑOS Y TUBOS DE ACERO La fabricación de caños y tubos de acero para la conducción de fluidos pueden dividirse fundamentalmente bajo dos diseños diferentes: SIN COSTURA (SEAMLESS PIPE) FABRICACION DE CAÑOS Y TUBOS CON COSTURA (WELDED PIPE) Para la fabricación de caños y tubos “sin costura” existen diferentes procedimientos de fabricación, siendo que todos ellos parten de procesos basados en la “deformación” de barras, originalmente de sección circular y alma llena. Por los esfuerzos a los que se ven sometidas las barras de acero utilizadas en estos sistemas de fabricación, cuyos acabados finales pueden obtenerse tanto en frío como en caliente, se requiere de la utilización de aceros de alta calidad y libres de defectos, debido a que eventuales imperfecciones en la estructura interna de la barra a transformar, se magnifican grandemente en el producto terminado. Para la fabricación de caños y tubos “con costura ” se parte de un fleje continuo de acero, al que se lo va deformando por rolado hasta lograr su formato final de sección circular, procediéndose luego a realizar la soldadura de unión de ambos extremos. Estos diseños de fabricación con costura se dividen fundamentalmente en tres grupos que tienen que ver directamente con el tipo de proceso de soldadura adoptado para realizar la costura de unión: Con costura en caliente y soldadura a tope. Generalmente, se fabrican para diámetros desde ½” hasta 4” (FURNACE BUTT WELDED PIPE) Mediante soldadura eléctrica con arco protegido. Se construyen para todo el rango de diámetros normalizados, generalmente, hasta las 12” fabricándose mediante soldadura en forma longitudinal. Para diámetros mayores a las 12”, generalmente, el diseño de rolado y la soldadura se realizan en forma de espiral (ELECTRIC FUSION [ARC] WELDED PIPE) Soldadura por resistencia eléctrica. Se construyen para diámetros que van desde ½” hasta 16” (ELECTRIC RESISTANCE WELDING, E.R.W.) La forma más adecuada de valorar cuál de los procesos de fabricación se ajusta mejor a cada proyecto es analizando el valor de cada uno de ellos con respecto a la Eficiencia de Junta3

3 Eficiencia de Junta (E.J.): Diseño y calidad de la unión por soldadura entre extremos de flejes en la conformación de la cañería.

correspondiente. Un caño obtenido mediante un proceso de fabricación del tipo “sin costura” poseerá como valor de Eficiencia de Junta a la unidad (E.J.=1) ya que, en este proceso de fabricación de cañerías, no existe tal unión soldada de partes. Por este motivo, la conducción poseerá idénticas cualidades de resistencia mecánica en todo su perímetro.

4

Por el contrario, en los procesos de fabricación con costura, los valores de eficiencia de junta tendrán que ver con la calidad del procedimiento de unión de los extremos del fleje con el que se conformó la cañería. Según la norma ASME-ANSI B31-14

Definiendo a los caños como aquellas conducciones que se identifican mediante su Diámetro Nominal y su Número de Serie

, para aceros al carbono, estos valores pueden variar de 0,6 a 0,85. Las cañerías de acero al carbono, especialmente por sus cualidades mecánicas, facilidad de soldadura, confiabilidad operativa y costos, resultan ser las normalmente utilizadas en la mayoría de las instalaciones industriales para una gran variedad de fluidos y servicios como ser agua potable, agua para incendio, gas natural, aire comprimido, vapor de agua, etc. pudiendo las mismas operar sin dificultad en condiciones severas tanto de temperatura como de presión. Las propiedades mecánicas de estas conducciones (de acero al carbono) aumentan a medida que lo hace el contenido de carbono de las mismas, disminuyendo al mismo tiempo la ductilidad y soldabilidad de las mismas. También resulta que, al no poseer elementos aleantes, su utilización se vea restringida cuando la temperatura del fluido a transportar se halla por debajo de los 0 ºC o cuando ésta sobrepasa los 300 ºC. La cañerías construidas con “aceros al carbono aleados”, principalmente con Cr, Mo y Ni, poseen propiedades mecánicas que permiten su utilización en rangos amplios de temperatura sin mayor tipo de inconvenientes. 1.3-DIMENSIONES, GEOMETRIA Y MATERIALES DE CAÑOS Y TUBOS

5

El Schedule está representado por números adimensionales que identifican a un conjunto de caños de distinto DN con la misma relación presión

, diremos que: Diámetro Nominal (DN) Diámetro tal que, para caños de 12” o menores, no coincide ni con el diámetro interior ni con el diámetro exterior del caño. Para diámetros de 14” y mayores, el DN del caño coincide con el diámetro exterior del mismo. La norma ASME B.36.10 M define las dimensiones de caños desde 1/8” hasta 80” de DN. Número de Serie Siglas que “dan idea” del espesor de pared del caño. De acuerdo a la norma ASME B 36.10 M se hallan agrupadas mediante dos criterios diferentes: Por Schedule (Sch.) Por peso

6- tensión admisible7

Nº Schedule

previstas para similares condiciones de servicio. El número de serie definido por el Schedule expresa valores aproximados, obtenidos de la siguiente expresión:

= 1000 P S

Donde: P: Presión de trabajo (kg/cm2) S: Tensión admisible a la flexión del acero de la cañería (kg/cm2) El segundo criterio indicado (por peso) corresponde a la forma más antigua de agrupación/ clasificación de las conducciones, y que a la fecha aún continúa vigente. Como se pude observar en las tablas 20 A;

4 ASME/ ANSI B31-1: Normas que definen calidades y propiedades de los aceros para cañerías 5 Número de Serie: Comúnmente denominado como Schedule (SCH) 6 Presión del fluido circulante 7 Tensión Admisible del acero de la cañería

5

20B y 20C (ver mas adelante), las variantes de cañerías con número de serie por peso (normativa original) cubren solo a una parte de las conducciones que actualmente se fabrican y utilizan, casi todas bajo la normalización más moderna del Schedule. La denominación original de éstos elementos de conducción, según la Iron Pipe Size8

a

son: i - PARA USO STANDARD - Standard Weight - STD (Equiv. al Sch. 40) ii - PARA USO PESADO - Extra-Strong Weigth - XS (Equiv. al Sch. 80) iii – PARA USO EXTRAPESADO - Double Extra-Strong Weigth - XXS (Equiv. al Sch. 160) De la observación y análisis de los valores indicados en la tablas 20 A; 20B y 20C surge que los caños de hasta 10” de DN, poseen espesores en los que coinciden el criterio definido como tipo “STD” con los definidos como de “Sch. 40” y hasta el DN de 8” coinciden los espesores de tipo “XS” con los de “Sch. 80”. La normalización de estas “relaciones y siglas particulares” (que dan idea de espesores de pared en los caños) incluye a los siguientes números de Schedule:

9

b - 10; 20; 30; 40; 60; 80; 100; 120; 140 y 160 (Aceros al carbono y aleados)

10

c - 5S; 10S; 40S y 80S (Aceros inoxidables)

11 - 40; 80 y SDR 13,5; SDR 17; SDR 21; SDR 26 y SDR 4112

Los CAÑOS

(Termoplásticos “PVC”) Para la mayoría de los diámetros nominales sólo se fabrican algunos de estos números de Schedule. Por ejemplo, los caños de diámetro nominal de 2” se fabrican comúnmente con Sch. Nº 40, 80 y 160 y para los caños de 10” los Sch. Nº 20, 30 y 40 son los más utilizados (ver tablas 20A, 20B y 20C).

13

Los TUBOS

son utilizados generalmente en instalaciones industriales para conducción de fluidos.

14

8 Iron Pipe Size (IPS): Normalizó originalmente a los espesores de pared en tan sólo tres grupos. Posteriormente fue creado el sistema de números de Schedule definiendo la Nominal Pipe Size (NPS). 9 Clasificación de Schedules para conducciones de aceros al carbono con o sin costura según la norma ASTM/ ANSI B 36.10 10 Clasificación de Schedules para conducciones de aceros inoxidables con o sin costura según la norma ASTM/ ANSI B 36.19 11 Clasificación de Schedules para conducciones de PVC según la normas ASTM F480 y ASTM D2241 y ASTM D1785 12 SDR: Standard Dimension Ratio - Agrupación normalizada de espesores de pared para conducciones de materiales termoplásticos, que responden a determinadas exigencias de presión y temperatura del fluido. 13 Denominados también como PIPE 14 Denominados también como TUBING

son empleados normalmente en la construcción de equipos para intercambio de calor, tales como calderas, condensadores, intercambiadores, etc. Se define como tubos a aquellas conducciones que se identifican, a diferencia de los caños, mediante su diámetro exterior y el espesor de pared. Con el objeto de visualizar las importantes diferencias, tanto geométricas como de peso lineal, se muestra en las Figuras 1 y 2, conducciones de diámetro 1”, con sus correspondientes datos. FIGURA 1: Caño de Diámetro Nominal de 1” - Especificación: Caño DN 1”, Sch. 40 FIGURA 2: Tubo de diámetro 1” - Especificación: Tubo Diámetro Exterior 1”, Espesor de Pared 2mm.

6

FIGURA 1 FIGURA 2 La longitud estándar de fabricación para caños y tubos es de aproximadamente doce (12) metros, resultando común la comercialización de los mismos, tanto en dicha longitud como en submúltiplos de la misma, en seis (6) y tres (3) metros. Las conducciones, de acuerdo a la norma ASME/ ANSI B31.1, poseen las siguientes tolerancias de fabricación, a saber: Espesores de pared = - 12,50 % DN ≤ a 1 1/2” = + 0,40 / - 0,80 mm. DIAMETRO EXTERIOR DN ≥l a 2” = 1,00 % Para espesor menores o iguales a XS = 5 % PESO Para espesores mayores a XS = 10 % 1.4-CAÑERIAS DE ACERO AL CARBONO Y DE ACEROS ALEADOS A continuación se detallan los materiales de mayor uso en la industria, los que se fabrican bajo normas ASTM, a saber: I - ASTM A 53, GRADOS A y B : Suelen ser los materiales más comúnmente utilizados en instalaciones donde las condiciones de presión y temperatura del fluido no toman valores extremos. Se los fabrica con dos (2) porcentajes de carbono diferentes a los efectos de obtener de ellos diferentes características mecánicas (ver tabla 12) II - ASTM A 106, GRADOS A, B y C : Son materiales similares al ASTM A 53 pero con mayor tenor de carbono y por tanto, mejores valores de resistencia mecánica. Esta composición química les permite a la vez adecuarse para trabajar con fluidos a importantes temperaturas, siendo normalmente empleados en servicios donde la misma llega hasta los 250/ 350 ºC. Cuando los valores de temperatura de los fluidos pasan a ser “extremos” (tanto en bajas como en altas marcas térmicas), se requiere de composiciones químicas particulares en el acero de las conducciones.

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ASTM A53 Grado

Composición Química

Características Mecánicas

C máx.

Mn máx.

P máx.

S máx.

Resistencia a la tracción (mínima)

Fluencia (mínima)

Alargamiento (mínimo)

% % % % Kg/ mm2 Kg/ mm2 %

A

0,25

0,95

0,05

0,06

34

21

35

B

0,35

1,2

0,05

0,06

42

25

30

Composición química de aceros ASTM TABLA 12 III – Aceros para Servicios a Altas Temperaturas A continuación se indican algunos materiales utilizados para servicios a temperaturas extremas: Se requiere la utilización de aceros aleados de elevada resistencia mecánica, resistente tanto a los efectos de creep15

IV – Aceros para Servicios a Temperaturas Criogénicas

como de oxidación. Los aceros comúnmente utilizados para estos servicios, son los siguientes: - ASTM A335: Aleación con Cr-Ni-Mo, en diferentes porcentajes. Estos aceros logran soportar temperaturas de hasta 500 ºC según su Grado. - ASTM A312: Es una aleación Cr-Ni, que soporta temperaturas de trabajo cercanas a los 600 ºC.

16

Norma ASTM

Se emplean aleaciones que a muy baja temperatura no pierden su ductilidad y, por tanto no quedan expuestas a fracturas repentinas por fragilidad. Los aceros más utilizados, en estos casos, son los siguientes:

Temperaturas de Servicio ( º C )

A 53 Hasta

aproximadamente los

0 A 106 -20

A333 - Gr. 1 -45 A333 - Gr. 3 -100 (con 3,5 % Ni) A333 - Gr. 8 -200 (con 9,0 % Ni)

Materiales utilizados para Servicios Criogénicos TABLA 13 15 Creep: Deformación plástica que sufre un material debido a la acción continua de una carga, aplicada durante periodos muy largos de tiempo 16 Criogenia: Estudio de los procesos que se producen a temperaturas extremadamente bajas. Si bien no se ha acordado un límite superior para las temperaturas criogénicas, se sugiere el uso de este término para todas aquellos valores inferiores a – 150°C (123 °K). Sin embargo, en la industria es común la utilización del término aun con temperaturas, si bien muy bajas, lejanas a dicho valor.

8

1.5-TUBOS PARA USOS TÉRMICOS Estas conducciones (tuberías) son fabricadas tanto con aceros al carbono como con aceros aleados, generalmente mediante procesos de fabricación del tipo sin costura. Su utilización abarca una amplia variedad de usos entre los que se incluyen los tubos para calderas, sobrecalentadores, precalentadores y otros elementos utilizados habitualmente en instalaciones y equipos para la generación de vapor y en equipos intercambiadores de calor. Las condiciones de trabajo donde se los utiliza pueden ser muy amplias, según el tipo de instalación y procesos de que se trate, y van desde los denominados pequeños equipos que trabajan a 15 Kg/cm2 de presión y 300 ºC, hasta sobrepasar, en generadores de importancia, los 150 kg/cm2 y 600 ºC de temperatura. En la tabla 14 se indican los materiales normalmente utilizados para estos usos, como así también los principales campos de aplicación de los mismos:

Materiales según normas ASTM Aplicaciones principales A 192; A 209; A 210; A 213 Calderas y Sobrecalentadores

A 179; A 199 Intercambiadores de Calor y Condensadores

A 161; A 200 Hornos de Calentamiento de Petróleo y otros Alambiques

A 334 Servicios a Bajas Temperaturas Materiales para Tubos en Usos Térmicos TABLA 14 1.6-CALCULO DE ESPESORES DE PARED EN CAÑOS Y TUBOS DE ACERO Para estas determinaciones se utilizarán las ecuaciones de cálculo propuestas en el Código ASME y las Norma ANSI B31.1, donde el mínimo espesor de pared se determina mediante la siguiente ecuación:

tm = P. Do + A 2 (S. E + P. y)

Donde: Tm: Mínimo espesor de pared [pulgadas] P: Presión interior17 (p.s.i.g.18

17 Se entiende por presión interior a la presión esperada, en condiciones normales del proceso, que tomará el fluido circulante por la cañería, llamada también como presión de trabajo. 18 La unidad p.s.i.g. [ pound square inch gauge - libra/pulgada 2 manométrica- ] se la utiliza para medir presiones "relativas" o "manométricas", que toman como cero al valor de la presión atmosférica (14,7 p.s.i.). Es una unidad práctica, ya que los manómetros comunes marcan cero cuando están abiertos a la atmósfera.

) Do: Diámetro exterior del caño (pulgadas) S: Tensión admisible máxima (p.s.i.), según la norma ANSI B31.1 E.J.: Eficiencia de junta, según la norma ANSI B31.1 Y: Coeficiente que depende del tipo de material utilizado y de la temperatura de servicio. A: Espesor adicional por: I -Compensación de material eliminado por roscado, para lo cual se considera que A = Valor de espesor de pared requerido para obtener la profundidad de la rosca deseada, valor mínimo a considerar = 1/64” (1,27 mm.)

9

II-Previsión de espesor de material necesario por corrosión o erosión. Se toma un valor de acuerdo con el avance de la corrosión esperada en el proceso dónde trabajará la cañería bajo cálculo.

Temperatura de

Servicio

(ºF)

Valores del coeficiente "y"

Aceros al carbono y aleados

Aceros austeníticos (Cr-Ni)

Hasta 900 0,4 0,4 950 0,5 0,4 1000 0,7 0,4 1050 0,7 0,4 1100 0,7 0,5

>1150 0,7 0,7 TABLA 15 Para el correcto cálculo del espesor de pared se debe considerar la tolerancia de fabricación de las cañerías (- 12,5 %), para lo cual se calculará primeramente el espesor nominal requerido (t nom.)

t nom. = t m

0,875 1.7-VERIFICACION DE LA APTITUD DE UN MATERIAL PARA UN SERVICIO DADO Se pide verificar la aptitud del material, forma constructiva y Sch. adoptado, para una cañería en la siguiente condición de operación: Caño diámetro nominal = 8”, Sch. Nº 40 Material a verificar = ASTM A 53 Gr. A, con costura E.R.W. Presión de diseño19

tm

= 600 p.s.i.g. (lb/pulg2) Temperatura de trabajo = 700 º F (aprox. 370 º C) Tipo de Construcción = Soldada No considerar sobre espesores por corrosión

= P. Do + A 2 (S. E + P. y)

En este caso: P = 600 p.s.i.g. Do = 219,1/25,4= 8,625” (ver tabla 20 B) S = 9.900 p.s.i. (ver tabla 21) E.J. = 0,85 (ver tabla 21) Y = 0,4 (ver tabla 15) A = 0 (por enunciado del problema)

19 Presión de diseño: = 1,5 x presión interior (donde el 1,5 = Coeficiente de seguridad definido por las normas ASME)

10

tm = 600. 8,625

= 0,2989” = 7,592 mm. 2. (9.900. 0,85 + 600. 0,4)

Por lo tanto será:

tnom. = 7,592 mm.

= 8,676 mm. 0,875

De tabla 20 B, para un diámetro nominal de 8” Sch. N° 40, se tiene un espesor nominal de 8,18 mm., por lo que el material adoptado: ASTM A 53 Gr. A, con costura (E.R.W.): “NO VERIFICA” (8,18 mm. < 8,676 mm.) 1.7.1-ALTERNATIVAS POSIBLES PARA LA RESOLUCION DEL CASO Empleo de un material de mayor calidad, por ejemplo: Por ejemplo ASTM A53 Gr. B, con costura (E.R.W.) con S= 12.200 p.s.i. (ver tabla 21)

tm = 600. 8,625

= 0,2438” = 6,194 mm. 2. (12.200. 0,85 + 600. 0,4)

Por lo tanto será:

tnom. = 6,194 mm. = 7,079 mm. < 8,18 mm. - VERIFICA - 0,875

Si en lugar de mejorar la calidad del material, se elige una solución constructiva diferente para la conducción y se utiliza un caño sin costura, sería: S= 11.600 p.s.i. (ver tabla 21) ASTM A53 Gr. A, sin costura E.J.= 1

tm = 600. 8,625

= 0,2184” = 5,547 mm. 2. (11.600. 1 + 600. 0,4)

Por lo tanto será:

tnom. = 5,547 mm.

= 6,34 mm. < 8,18 mm. - VERIFICA - 0,875

1.7.2-CONCLUSIONES Las dos alternativas calculadas verifican y satisfacen las condiciones de operación impuestas. Corresponderá entonces seleccionar una de ellas para dar solución al problema.

11

Resultará fundamental, para la determinación final, tener presente las siguientes consideraciones: -Disponibilidad de materiales en el mercado (cañerías y accesorios) -Costos generales (tanto de materiales como de mano de obra y mantenimiento) -Diversidad de materiales en la instalación/planta (por costos de repuestos) Todo ello para encontrar la solución técnica - económica más conveniente 1.8-CAÑERIAS DE ACERO INOXIDABLE Las cañerías de acero inoxidable son normalmente utilizadas en instalaciones donde se requiere una alta resistencia a la corrosión o altos valores de resistencia mecánica para procesos a temperaturas elevadas o bien simplemente para evitar que se produzca contaminación del producto que circula por las mismas20

Los aceros AISI Serie 300 Tipo 304, 304L

. Los materiales utilizados generalmente para estos casos responden a los aceros normalizados por las normas ASTM-ANSI-AISI, por ejemplo: ASTM A-269 – ANSI B 36.19 – AISI 316 ASTM A-312 – ANSI B 36.19 – AISI 316 Donde las normas: ASTM A-269: Define características y métodos de ensayo para los tubos de acero inoxidable austeníticos con o sin costura. ASTM A-312: Define características y métodos de ensayo para los caños de acero inoxidable austeníticos con o sin costura. ANSI B-36.19: Define dimensiones y tolerancias generales para las conducciones de acero inoxidable con o sin costura. AISI 316: Define el Grado del acero, especificando la composición típica del mismo.

21

20 Estas cañerías son generalmente del tipo “con costura” soldadas por fusión eléctrica sin aporte de material - Electric Fusion Welded (EFW) 21 La denominación “L”, refiere a un Grado especial de aleación (dentro del mismo tipo de acero) que posee menor contenido de carbono (0,03% Cmáx.) haciéndolo adecuado, entre otras cosas, para prevenir la generación de corrosión en la estructura molecular de las regiones cercanas a la soldadura.

, 316, 316L y 321, son los más comúnmente utilizados. El tipo de acero más adecuado para cada medio corrosivo, puede obtenerse seleccionándolo mediante el uso de las tablas estándar de resistencia a la corrosión (de las que normalmente disponen los distintos fabricantes o comercializadores de los mismos), como así también pueden ser definidos mediante ensayos y pruebas prácticas con los distintos productos corrosivos y aceros que en particular se requiera utilizar. Se considerará “adecuado” la utilización de un determinado material, hallándose éste sometido a un medio agresivo, cuando el mismo acuse una disminución de espesor debido a la corrosión igual o menor a 0,1 mm. por año. Con respecto a la composición química de los aceros inoxidables, respecto de la problemática de la posterior soldadura de los mismos, podemos decir que resulta deseable que éstos posean el mínimo valor porcentual de carbono posible. Con ello, se logra atenuar la precipitación de carburos de cromo en la periferia de granos cuando se calienta al acero entre los 400ºC y 900ºC, situación que lo hace susceptible a la “corrosión intergranular” por precipitación de carburos. La pérdida de cromo, en lugares inmediatamente adyacentes a la periferia de los granos del mismo, hace que el material se torne susceptible al ataque de soluciones corrosivas, las que lo invalidarán para un adecuado desempeño. Este problema se da frecuentemente, entre otros, en las instalaciones y procesos utilizados en la industria alimenticia dónde las cañerías y o tuberías no sólo deben ser de aleaciones especiales (de bajo contenido de carbono) sino que además, requieren procesos de soldadura en atmósferas (medios) debidamente controladas.

12

Existen aleaciones que incorporan al columbio o al titanio con los que se logra estabilizar al carbono existente en los aceros, formando así carburos más estables. Esta estabilización se produce principalmente por la mayor afinidad que poseen estos dos compuestos frente al carbono, en contraposición a la menor afinidad obtenida con el cromo como principal elemento aleante. El cálculo del espesor de pared de una cañería bajo presión interna se realiza de acuerdo a las ecuaciones vistas para las conducciones de acero al carbono y aleados, para lo cual se deberán utilizar los valores correspondientes de tensión admisible y de eficiencia de junta, dados por el código ASME/ANSI B 31.1 que correspondan. Debido a los mayores costos de los aceros inoxidables comparados con las cañerías de acero al carbono, el espesor estándar adoptado en la mayoría de casos corresponde a un Schedule 10S para diámetro de cañerías de ½” a ¾” y un Schedule 5S para diámetro de cañerías igual a 1” o mayores. Estas conducciones se fabrican con y sin costura. Las primeras (utilizadas generalmente para la construcción de caños) se sueldan generalmente bajo atmósfera inerte - con gas argón - y sin material de aporte. Las restantes, resultan diseños particularmente requeridos en la construcción de tubos que, generalmente, son utilizados en equipos Intercambiadores de Calor, con diámetros y espesores de pared22

COMPOSICION QUIMICA DE ACEROS INOXIDABLES

apropiados para cada caso en particular.

AISI (Tipo)

C

(Max.)

Cr

Ni

Si

Mg

Mo

Ti

Co

304 0,08 18-20 8-10,5 - - - 304-L 0,03 18-20 10-12 - - - 316 0,08 16-18 10-14 2-3 - -

316-L 0,03 16-18 10-14 Máx. 1 % Máx. 2 % 2-3 - - 321 0,08 17-19 9-12 - 0,4 - 0,7 -

Composición química de algunos aceros AISI TABLA 16 1.9-CAÑERIAS DE POLICLORURO DE VINILO23

22 Los tubos “sin costura” normalmente suelen ser fabricados en diámetros exteriores que van desde ¼” hasta las 2” con espesores de pared que no responden a los Schedules std. de las cañerías. Los espesores de pared con los que se construyen estas tuberías van, generalmente, desde los 0,889 mm. (calibre BWG 20) hasta los 3,404 mm. (calibre BWG 10) - BWG: British Standard Wire Gauge - Norma británica para calibre de alambres. También es utilizada regularmente para definir espesores de chapa.

Las cañerías de Policloruro de Vinilo (PVC) poseen un elevado rango de resistencia a la corrosión, muy buen comportamiento a la acción de álcalis, ácidos, derivados de la descomposición de sustancias orgánicas, etc., son inmunes al ataque de corrientes galvánicas y no producen contaminación en los productos que se transportan. Los fabricantes de estos materiales proveen datos, información y tablas en las que se indica el comportamiento del mismo en función de las características del fluido a transportar y la temperatura y presión de trabajo requeridas. Las conducciones de PVC se usan generalmente para la conducción de fluidos corrosivos, cañerías de drenaje y desagües industriales, agua potable, agua desmineralizada, salmuera, servicios donde se requiere mantener al producto libre de contaminación, etc.

23 El Policloruro de Vinilo, comúnmente denominado PVC, es un polímero termoplástico. Se presenta como un material blanco que comienza a reblandecer alrededor de los 80°C y se descompone llegando a los 140°C.

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Presenta las siguientes ventajas: 1) bajo peso específico (1,36 Kg./dm3) lo que facilita su manipulación para el montaje e instalación. 2) superficies perfectamente lisas, ofreciendo poca resistencia a la circulación del fluido, por lo tanto, mínimas pérdidas de presión además de no posibilitar la formación de incrustaciones. 3) no requieren procesos ni trabajos de protección exterior mediante pintura, ofreciéndose en los más diversos tamaños en variados colores de terminación. Las desventajas a tener en cuenta para su uso son: reducida resistencia el calor, temperatura máxima de trabajo de aproximadamente 60ºC (140°F) y elevado coeficiente de dilatación (aproximadamente siete veces mayor a la de un acero). Por ello, en su instalación deben preverse “facilidades” para permitir que las cañerías dilaten libremente. Poseen además escasa resistencia a los choques, vibraciones e impacto, baja resistencia mecánica (por lo que en las instalaciones aéreas deben estar perfectamente sustentadas, situación por la que requerirán de un importante número de soportes o bien estar directamente apoyadas sobre soportes del tipo continuo) La normativa empleada para la determinación de las dimensiones físicas, tolerancias y espesores de pared de las conducciones de PVC son las normas ASTM D224124 y la ASTM D178525

SDR 21 - 3/4” a 8” Sizes – 200 p.s.i – 73°F SERIES SDR 26 - 1” a 24” Sizes – 160 p.s.i – 73°F SDR 41 - 18” a 24” Sizes – 100 p.s.i – 73°F El cálculo de verificación de espesores de pared necesarios para una determinada aplicación puede calcularse mediante la siguiente expresión:

. Para el diseño de instalaciones donde se requiere la utilización de este tipo de conducciones de PVC, generalmente se utilizan cañerías con las siguientes relaciones de espesor de pared, presiones y temperaturas de trabajo, tal como se indican a continuación (establecidas por las normas ASTM anteriormente referidas) a saber:

tmín. = P . D 2 . S

Donde: tmín.: Espesor de pared mínimo (mm.) D: Diámetro exterior de la cañería (mm.) P: Presión interior de diseño (Kg./cm2) S: Tensión admisible de trabajo del material de la cañería (Kg./cm2) El valor de la tensión admisible (S) es de aproximadamente 60 Kg./cm2 para temperaturas de trabajo de 20ºC. Este valor de tensión admisible deberá reducirse aproximadamente un 15 % por cada 10 ºC de aumento de la temperatura del fluido circulante, teniendo presente que la temperatura máxima de trabajo no debe superar los 60°C. 1.10-CAÑERIAS DE FUNDICION DE HIERRO GRIS26

24 ASTM D2241: Standard Specification por Poly (Vinyl Chloride) (PVC) Pressure-Rated Pipe. (SDR Series) 25 ASTM D1785: Standard Specification por Poly (Vinyl Chloride) (PVC) Plastic Pipe, schedules 40,80 and 120. 26 Fundición de hierro gris: Según las norma IRAM 2501, se define así a la aleación de hierro, carbono y silicio en la que el grafito libre se presenta sustancialmente en forma de láminas.

Su utilización está generalizada en instalaciones subterráneas para la conducción de agua potable, de pozo y pluviales, en instalaciones sanitarias, desagües industriales y otras que, instalándose enterradas, presentan entre otras ventajas, una muy buena resistencia a la corrosión.

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Estas cañerías no resultan aptas para quedar expuestas a esfuerzos de dilatación, contracciones o vibraciones. Las normas ANSI B31.1 limitan su uso a presiones máximas no mayores a los 17 Kg./cm2 y o para temperaturas de trabajo superiores a los 200 ºC. Localmente se fabrican caños de fundición27

PARA DIAMETRO DE CAÑOS IGUAL O MENORES A 600 mm.

bajo el método de fabricación “por centrifugado”, con dimensiones, pesos y características encuadradas en lo estipulado en la norma IRAM 2501, la que define tres “Clases” diferentes, tal como se observa en la tabla 17.

LINEA CLASE DENOMINACION PRESION DE TRABAJO MAX. (kg/cm2)

LA Std. 10,0

A Pesado 12,5

B Extrapesado 15,0

PARA DIAMETRO DE CAÑOS MAYORES A 600 mm.

LINEA CLASE DENOMINACION PRESION DE TRABAJO MAX. (kg/cm2)

LA Std. 7,5

A Pesado 10,0

B Extrapesado 12,5

Valores de presión admisible máximas para caños de fundición de hierro gris TABLA 17 El cálculo del espesor de pared para trabajar bajo presión interna se realiza mediante la siguiente expresión:

tmín. = P . D 2 . S

Donde: tmín.: Espesor de pared mínimo (cm.) D: Diámetro exterior del caño (cm.) P: Presión interior de diseño (Kg./cm2) S: Tensión admisible de trabajo del material de la cañería.28

DIAMETRO NOMINAL

Resulta importante aclarar que para este tipo de conducciones, las dimensiones de los diámetros nominales y espesores de pared dados por la norma IRAM 2501 no se condicen con las definidas en el estudio de las cañerías de acero, variando notablemente respecto de aquellas, tal se observa en las tablas 18 y 20A, 20B y 20C.

DIAMETRO EXTERIOR

ESPESOR DE PARED SEGUN CLASE (mm.)

D.N. (mm.) D.E. (mm.) LA A B

60 77 6,8 7,5 8,2 100 118 7,5 8,3 9,0 300 326 10,8 11,9 13,0 600 635 15,8 17,4 19,0 1000 1048 22,5 24,8 27,0

Dimensiones std. para cañerías de fundición de hierro gris, según la IRAM 250129

27 Las normas IRAM define como caño de fundición a una “pieza hueca, de eje recto, de sección circular y de periferia continua”. 28 Los valores de las tensiones admisibles para las fundiciones, se pueden observar en el código ASTM (Ejemplo: para la fundición gris, S= 250 Kg./cm2) 29 En esta tabla se ha trascripto sólo algunos de los diámetros definidos por la norma IRAM 2501.

TABLA 18

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De la misma manera se deberán observar las tolerancias permisibles, tanto para los espesores de pared como para los diámetros de caños, que según la norma IRAM 2501, poseen las siguientes discrepancias admisibles respecto de los valores indicados en la tabla 18, a saber: Discrepancias permisibles para espesores (Te): + 0,00 Te - (1+ 0,005 x espesor pared) Discrepancias permisibles para diámetros exteriores (Tf): Tf = + / - (4,5 x 0,0015 D.N.) Discrepancias permisibles para el peso de caños: + / - 6 % para caños de D.N. igual o menores a 250 mm. + / - 5 % para caños de D.N. mayores a los 250 mm. Para las pruebas hidráulicas de estanqueidad, la norma IRAM 2501 define valores de presión de 2500 kPa30

Para la construcción de una línea

y 2000 kPa según se trate de caños de D.N. menores o iguales a los 600 mm. o para caños con D.N. mayores a los 600 mm. respectivamente. Para cualquiera de las opciones de diámetros de caño a ensayar, el tiempo de prueba bajo presión, nunca deberá ser inferior a los 30 segundos. 1.11-UNION ENTRE CAÑERIAS

31

SOLDADURA A TOPE TIPOS DE UNION SOLDADURA A ENCHUFE ROSCADA BRIDADA

, existen diferentes tipos y elementos de vinculación, tanto para los tramos de cañerías entre sí como entre éstas y los accesorios y/ o equipos que intervienen en la instalación. El proyectista puede seleccionar, en función de las exigencias y necesidades del proyecto: características del fluido a transportar, presión y temperatura de trabajo, grado de confiabilidad requerido, facilidad de limpieza, mantenimiento y presupuesto disponible, el tipo de unión más adecuado para cada diseño en particular, disponiendo para ello de diversos “tipos de unión entre cañerías” normalizados. El tipo de unión más conveniente podrá variar según resulte el tipo de material constitutivo de la línea, por lo tanto, las uniones poseerán un diseño, dimensiones y demás características particulares dependiendo si se trata de conducciones de acero al carbono o aleados, aceros inoxidables, fundición de hierro, PVC, etc. A continuación se indican los tipos de unión comúnmente utilizados en la industria, a saber:

Resulta importante señalar que cuando nos referimos a uniones entre cañerías, éstas considerarán no sólo al diseño empleado para llevar a cabo la unión entre caños entre sí, sino también a los accesorios

30 KPa: Unidad de presión en el Sistema Internacional (SI), resultando: kPa = 0,102 kg/cm2 = 0,01 bar = 0,145 p.s.i. 31 Línea: término comúnmente empleado con el que se denomina a una cañería de un determinado proceso, desde el inicio hasta el fin de la misma, por ejemplo: línea de vapor, de agua potable, de gas natural, etc.

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(juntas de cierre y tornillería de sujeción) utilizados en el mismo. En adelante, nos referiremos exclusivamente a las uniones de cañerías de acero. 1.11.1-SOLDADURA A TOPE La unión por soldadura a tope constituye el método más generalizado para vincular cañerías de acero de cualquier tipo y en todos los diámetros, con especial referencia a aquellos mayores de 2”. Esta forma de unión puede ser utilizada tanto para servicios de baja exigencia como en servicios del tipo severos/ pesados. Las cañerías o accesorios para ser soldados a tope deben poseer indefectiblemente sus extremos con una geometría/ formatos y separaciones entre sí particulares, para asegurar con ello una posterior y correcta unión por soldadura. La norma ANSI B16.25 define que los extremos de caños de espesor de pared de 3/16” (4,8 mm.) o menores, deben ser rectos. Para espesores de pared mayores de 4,8 mm. deben poseer un chanfle de diseño tal como se observa en la Figura 3.

Diseño de Extremos en función del Espesor de la Cañería FIGURA 3 Para realizar una soldadura entre cañerías, éstas deben alinearse manteniendo una adecuada separación entre sus extremos de 1,5 a 6,0 mm. dependiendo ello del espesor y diámetro de la conducción, para permitir la correcta penetración del cordón inferior de soldadura. Para la construcción de líneas del tipo soldadas, se dispone de accesorios estándar adecuados para unir a tope, tales como: te, te de reducción, codo a 90º de radio corto y radio largo, codo a 45º, codo a 180º, ramal a 45º, reducciones excéntricas, concéntricas, etc. Los accesorios se fabrican con D.N. desde ½” a 24” y paredes del tipo std., pesado y extrapesado (Sch. N° 40, 80 y 160). Por lo general, se utiliza un espesor de pared de accesorio igual al espesor de pared de la cañería, salvo en casos especiales donde se incrementa el espesor de pared de accesorios para tener en cuenta, por ejemplo, desgastes producidos por erosión o abrasión en las mismas. En el caso particular de los codos, también denominados regularmente como curvas, se fabrican con dos diseños diferentes conocidos con las denominaciones de: Radio Corto y Radio Largo. Estos accesorios poseen diferentes relaciones entre su Diámetro Nominal y la cota “A”, tal se muestra en la Figura 4.

RADIO CORTO A = D.N. RELACION “D.N./A” PARA CODOS CON DISEÑO DE RADIO LARGO A = 1,5 x D.N.

17

Relaciones Geométricas en Codos FIGURA 4 1.11.2-UNION POR SOLDADURA A ENCHUFE32 Este tipo de unión soldada se utiliza en instalaciones sujetas a severas condiciones de presión, temperatura y/o vibraciones, generalmente utilizada en diámetros desde ½” a 3”. Los accesorios utilizados en este sistema de soldadura (te, codos, unión doble, etc.) se fabrican en acero forjado en series tipo 2000, 3000, 4000 y 6000 libras, utilizándose generalmente la serie 2000 para cañerías de Schedule Nº 40, la serie 3000 para cañerías de Schedule Nº 80 y las series 4000 y 6000 para cañerías de Schedule Nº 160. La unión entre el accesorio y la cañería se realiza mediante soldadura, según el esquema indicado en la Figura 5.

Diseño de Extremos, Separaciones y Espesores de Pared FIGURA 5 Con este tipo de unión se simplifica la construcción de líneas dado que el diseño de encastre, previo a la soldadura, facilita tanto la alineación como el posicionamiento del tramo de cañería a soldar traduciéndose ésta en una menor cuantía de mano de obra para el armado y construcción de la línea. 1.11.3-UNIONES ROSCADAS Las uniones roscadas se usan generalmente en líneas con exigencias poco severas de presión y/o temperatura en instalaciones industriales (agua, aire comprimido, gas natural, aceite, etc.) e instalaciones domiciliarias (agua potable, gas natural), generalmente en diámetros pequeños hasta 2”. La unión roscada presenta la ventaja de su fácil de armado y desarmado, especialmente en aquellos lugares donde no pueden realizarse soldaduras. Cabe señalar que este tipo de unión no es recomendable en servicios en los que puedan producirse vibraciones, erosión y corrosión. Los accesorios utilizados para este tipo de unión de cañerías (codos, te, derivaciones, cuplas, niples33

32 Unión por soldadura a enchufe: Unión comúnmente denominada “SOCKET WEL” 33 Niple: Se denomina así a los accesorios tubulares, generalmente roscados en ambos extremos y de longitud menor a 12” (aproximadamente 305 mm.). De superar dicha longitud se considera entonces como un tramo de conducción (tubo/ caño) cortado.

, etc.) se fabrican de fundición maleable cuando se los utilizan en servicios tipo “domiciliarios” con bajas

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exigencias de presión y/o temperatura. Para exigencias importantes, tanto de presión como de temperatura, se los construye de acero forjado, en Series 2000, 3000 y 6000, utilizándose normalmente una Serie 2000 con cañería Schedule 40, Serie 3000 con cañería Schedule 80 y Serie 6000 con cañería Schedule 160. En este tipo de unión de cañerías, se utiliza normalmente un accesorio denominado Unión Doble (roscada), cuya inclusión en las líneas resulta de fundamental importancia ya que ésta no sólo nos permite realizar un fácil armado de los distintos tramos de la misma, sino que además sin ellos no resultaría posible un fácil desarme de la línea ante necesidades como ser cambio de partes por pérdidas, modificación de la traza, etc.

Esquema de las partes constituyentes de una Unión Doble FIGURA 6 Resulta fundamental, al momento de decidir respecto a la utilización de uniones dobles, explicitar el diseño o tipo de rosca seleccionado ya que estos accesorios se construyen y utilizan en versiones con roscas cilíndricas y roscas cónicas tanto bajo normas norteamericanas (NPS34; NPT35) como bajo normas inglesas (BSP36; BSPT37

Las uniones del tipo bridadas son ampliamente utilizadas en las instalaciones industriales para unir cañerías con cañerías o cañerías con accesorios, válvulas y equipos. Estos accesorios se fabrican desde 2” hasta las 24” de D.N. bajo normas

). La rosca de diseño cónico BSPT (equivalente a las roscas DIN 2999 e IRAM 5063) es la más comúnmente utilizada. Respecto de las roscas mencionadas podemos señalar que la diferencia fundamental respecto del diseño de las mismas, se basa en el ángulo de filetes correspondiendo un ángulo de 60° para las roscas norteamericanas Vs. el ángulo de 55° utilizado por las roscas BSPT. 1.11.4-UNIONES BRIDADAS

38

34 Rosca NPS: American National Pipe Straight Pipe - Rosca norteamericana cilíndrica para caños 35 Rosca NPT: American National Pipe Taper Threads - Rosca norteamericana cónica para caños 36 Rosca BSP: British Standad Pipe Paralell Threads - Rosca inglesa (Whitworth) cilíndrica para caños 37 Rosca BSPT: British Standad Pipe Taper Threads - Rosca inglesa (Whitworth) cónica para caños 38 Hasta Diámetros Nominales de 24”, las bridas se fabrican según especificaciones dadas por la norma ASTM/ ANSI B16.5, para Diámetros Nominales de 26” o mayores se fabrican bajo especificaciones dadas por la norma ASTM/ ANSI B16.47.

diferentes de aquellas de D.N. igual a 26” o mayores. Este diseño de unión permite además realizar conjuntos fácilmente desarmables, los que posibilitan un rápido desmontaje de partes o bien el retiro de equipos de una línea con suma facilidad. Las bridas se fabrican de acero forjado con sus caras frontales maquinadas y tal como se ha mencionado anteriormente, la elaboración de las mismas se realiza en base a lo definido por las normas ASTM/ANSI B16.5 y ASTM/ANSI B16.47 cubriendo dicha normalización todo lo relacionado con dimensiones, tolerancias, condiciones de presión y temperatura de trabajo, etc. .

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Las normas ASTM/ ANSI al igual que las normas IRAM definen para estos accesorios, en función de resistencia y capacidades, diferentes “Series” o “Clases” mediante la siguientes denominaciones: Series: 150#, 300#, 400#, 600#, 900#, 1500# y 2500# 39

A modo de ejemplo se detallan a continuación los límites o capacidades de operación definidas por las normas IRAM 2512

- Normas ASTM/ ANSI Series: 10, 21, 28, 40, 63, 100 y 160 ( kg./cm2) - Normas IRAM Esta denominación (numérica) surge de ensayos donde se relacionan, para diferentes geometrías constructivas y tipos de aceros, máximas presiones admisibles de trabajo Vs. temperatura de servicio del fluido.

40

460 4,75 Serie Nro. 10 (150#) 100 14,00 29,75 40 16,00

para bridas de Serie Nro. 10 y Serie Nro. 21, a saber: Temp. de Trabajo Presión de Trabajo Presión de Prueba (°C) (kg/cm2) (kg/cm2)

460 16,00 Serie Nro. 21 (300#) 100 31,50 77,00 40 36,50 A su vez, la norma IRAM 2512 define tres diferentes conceptos o tipo de presiones, a saber: Presión Nominal: Es la presión que sirve para denominar a un elemento (Serie o Clase). Presión de Trabajo: Es la presión efectiva en el proceso, que se obtiene partiendo de una presión nominal, teniendo en cuenta además la temperatura de trabajo. Presión de Prueba: Es la presión a la que se ensaya el material (línea). Los valores indicados para las Series 150# y 300# muestran claramente que los rangos posibles de aplicación para cada una de las series son verdaderamente amplios, por ello, resultará sumamente importante definir con la mayor precisión posible los valores y tolerancias asumidos para la variación de presión y temperatura en el servicio/ proceso. El aumento de una Serie en las bridas y por ende del resto de accesorios, válvulas, etc., a utilizar en la conformación de la línea, implicará la erogación de importantes sumas de dinero seguramente innecesarias. A modo de ejemplo se indican a continuación los valores aproximados del peso correspondiente a una brida ciega (tapón) en dos “Series” diferentes, para un mismo D.N. de 10”, a saber: Nro. de Serie Peso [N] 150 # 300 300 # 550

39 “#” Símbolo utilizado para referenciar la Clase o Serie de las bridas. Esta simbología representa a la unidad de presión p.s.i. (lbs./pulgada2). Normalmente se utilizan ambas denominaciones indistintamente. 40 Normas IRAM 2512 – Valores normales para válvulas de acero y accesorios de unión a bridas. (para elementos de unión de acero al carbono y temperaturas de trabajo inferiores a 460 °C; Fluido: agua o vapor de agua)

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Como se observa, la diferencia de peso de las bridas de referencia para ambas series, resulta realmente considerable. Sin embargo, y para tener idea de los costos de cada una de las mismas, aparte de la diferencia de peso del acero necesario para la fabricación de cada una de ellas, se debe considerar los costos en más que implica la conformación por forjado y el maquinado posterior de sus caras. Todo ello hace, para el ejemplo propuesto, que los costos finales de una brida ciega de 10” de D.N.- Serie 150#

resulte aproximadamente un 50% más económica que una de Serie 300#. 1.11.4.1-TIPO DE BRIDAS (Ver figura 7) De acuerdo al servicio al que se halle sometida una línea, o bien a los espacios disponibles para el armado o el posterior recambio de partes o mantenimiento a realizar en la misma, etc. se dispone de bridas con los siguientes diseños normalizados: -Brida deslizante (Slip-On): Su instalación se realiza deslizando la brida sobre el caño, fijándose a éste mediante dos soldaduras, una interior en el extremo del caño y otro exterior a la cañería. Es el tipo más común y difundido de uso, son de bajo costo inicial aunque su costo final instalado se ve incrementado al requerirse dos soldaduras por brida. Las bridas se fabrican con aceros forjados bajo normas ASTM, siendo las mas utilizadas las de calidad ASTM A105. Estas bridas pueden ser suministradas con o sin resalte para la aplicación de la junta. Para altas presiones se utiliza normalmente bridas con resalte. Cabe señalar que ambos diseños requieren de juntas para realizar un sellado que asegure la estanqueidad de la instalación. Las uniones con este tipo de bridas presentan una resistencia aproximada del 70% de la resistencia calculada para la cañería (presión interna) y se las utiliza generalmente para servicios poco severos de presión y temperatura. -Brida roscada (Threaded): Son bridas que brindan similar capacidad de resistencia que las bridas deslizantes. Poseen rosca en su parte interna, la que se vincula directamente con la cañería roscada. Se emplea en casos donde no se pueden realizar soldaduras y no se recomienda su utilización en líneas que se hallen sometidas a esfuerzos de flexión y o dilataciones térmicas. -Brida a enchufe con asiento (Socket Weld): Se desarrollaron principalmente para utilizarlas en líneas de pequeños diámetros y alta presión. Cuando llevan soldadura interna su resistencia estática es igual a la de la brida deslizante pero su resistencia a la fatiga, respecto de esta última, resulta aproximadamente un 50% mayor. -Brida con cuello (Welding-Neck): Estas bridas se vinculan a las cañerías mediante una soldadura a tope en su cuello de diseño cónico con biselado, ya preparado para la soldadura, e igual diámetro exterior al de la cañería, por ello la dimensión de cuello debe pedirse de espesor igual al de la cañería con la que se va a soldar. Este diseño de bridas permite una “continuidad estructural entre cañería y brida” situación que le confiere una importante resistencia al conjunto equivalente al de una cañería sin cortes. Este tipo de bridas se utiliza generalmente para condiciones severas de presión y temperatura al igual que para líneas en las que se transportan fluidos peligrosos. El uso de este tipo de bridas, si bien resultan de mayor costo inicial (respecto por ejemplo de las bridas deslizantes), al requerir de una sola soldadura hacen que el costo final de la línea, teniendo en cuenta los ahorros de mano de obra en soldadura durante el montaje, no resulten excesivamente mayores respecto de otros diseños. -Brida con solapa (Lap-Joint): llamada también como brida loca, se utiliza junto con un cuello solapado o collar que se suelda a tope a la cañería, la brida por tanto queda suelta y puede girar. El acople es realizado por la brida presionando sobre dicho cuello. Este diseño presenta la ventaja de ser giratorio, con lo cual se facilita las operaciones de montaje, especialmente en cañerías de gran diámetro, mangueras flexibles, etc. Al no estar en contacto con el fluido en movimiento permite la unión entre cañerías con materiales diferentes a éstos y su uso está reservado para servicios poco severos de presión y/o temperatura. Normalmente las bridas locas, empleadas para el apriete de los cuellos solapados, se fabrican con aceros al carbono y no con aceros inoxidables, logrando así importantes disminuciones en los costos de la instalación. Este tipo de uniones bridadas sólo se utilizan en procesos con bajos valores de presión y/o temperatura de funcionamiento.

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Por ello cuando deban realizarse uniones entre cañerías de acero inoxidable para servicios severos se deberán utilizar, sin excepción, alguno de los restantes tipos de bridas antes descriptas. -Brida ciega (Blind): Estas bridas son de diseño sólido y sin orificios para la circulación de fluido. Se las utiliza generalmente para bloqueo de líneas realizando el cierre de extremos de cañerías o válvulas. Al igual que las restantes bridas, deben utilizárselas respetando la serie de los restantes accesorios utilizados en la línea.

WELDING-NEC SOCKET-WELD SLIP-ON THREADED LAP-JOINT Diferentes Tipos de Bridas FIGURA 7 1.11.4.2-ELEMENTOS UTILIZADOS EN LA UNION DE BRIDAS En todos los casos, entre caras de bridas que deban vincularse entre sí para dar continuidad a una línea, se debe hacer uso de dos elementos fundamentales, a saber: PARA LA UNION DE DOS BRIDAS JUNTA SE REQUIERE ADEMAS DE TORNILLERÍA a- Junta: Este elemento, correctamente seleccionado e instalado, resuelve la problemática de estanqueidad en una línea. Para la selección de la misma se debe considerar los siguientes parámetros: Espesor: Este dependerá del estado de las bridas y de la compresibilidad permisible del material de la misma. Como norma general se recomienda utilizar el menor espesor posible debido a: En muchos casos, particularmente para el sello de líneas de gases, un espesor más delgado de junta requiere una tensión menor para el logro del sello. La resistencia a la relajación de la tensión disminuye directamente con el aumento del espesor de la junta. Una junta más fina posee mayor capacidad para soportar mayores esfuerzos. No obstante, la correcta determinación del “menor” espesor a utilizar debe tolerar las deformaciones, rugosidades y las irregularidades e imperfecciones de las superficies de las bridas.

Diámetro Exterior de la Cañería

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Material: El material debe seleccionarse de manera que éste se corresponda, no sólo con las necesidades de presión y temperatura del fluido circulante por la línea, sino que resulte compatible con éste, para evitar problemas de contaminación (del fluido circulante) o bien degradación de la junta. Montaje: El montaje de juntas debe realizarse sobre bridas paralelas, limpias y secas sin utilizar aditamento alguno (grasas, lubricantes, etc.). Su colocación “centrada” debe ser cuidadosamente verificada, caso contrario la misma junta impedirá la libre circulación del fluido por la cañería. b- Tornillería: Para unir dos bridas y lograr sobre éstas y la junta la necesaria compresión que asegure la estanqueidad de la línea, se usan indistintamente bulones41 y espárragos42

41 Conjunto formado por un tornillo con cabeza, una tuerca y arandelas. 42 Eje con un tramo central cilíndrico y con ambos extremos roscados (o bien eje de rosca completa) que requiere para su utilización, en ambos extremos, de tuercas y arandelas.

. En la práctica, éstos últimos, son los mas utilizados por sus facilidades de montaje. La tornillería (tornillos y tuercas) debe seleccionarse respetando la “serie” de las bridas a unir, de forma tal que los materiales de los mismos resulten adecuados a la exigencia requerida por la línea. Las roscas de tornillos y tuercas deben ser sanas, libres de óxido y correctamente lubricadas. Para practicar el correcto montaje y cierre, el ajuste de la tornillería debe realizarse siempre en “secuencia cruzada” y en al menos, tres etapas de torque secuencial hasta lograr el torque final. 1.12-SOPORTES PARA CAÑERÍAS Se define como soportes para cañerías a todos aquellos elementos o dispositivos destinados a soportar los pesos y los demás esfuerzos ejercidos por las cañerías o de aquellas cargas que actúen sobre éstas transmitiéndolos al suelo, a estructuras vecinas, a equipos o en algunos casos a otras cañerías. Para seleccionar el tipo de soporte requerido por cada instalación deben considerarse, entre otros, las siguientes consideraciones y particularidades: Diámetro de la línea, peso unitario de la cañería incluyendo el peso del fluido a conducir o el existente durante la prueba hidrostática (el mayor) incluyendo el peso de accesorios, válvulas, de poseer, el aislamiento de la misma y las longitudes entre apoyos y del total de la línea. Magnitud de dilataciones esperadas. Tipo de aislación (para interior o exterior) Características del área (ambiente) donde estará instalada la línea; posibilidad de realizar soldaduras y magnitud de la corrosión exterior esperada para la cañería La vinculación de cañerías con los soportes de las mismas pueden ser generalmente de dos tipos: Fija (tramos sustentados en forma fija): Los soportes fijos se ubican de forma tal que el tramo considerado, normalmente, tiene continuación hacia ambos lados, con momentos sobre cada extremo y mínimos valores de flecha. Su comportamiento se asimila a los de una viga con extremos empotrados. Libre (tramos simplemente apoyados): En general, se los utiliza para tramos adyacentes a aquellos que presentan codos, curvas o ramales y su comportamiento se asemeja a los de una viga simplemente apoyada. Las distancias entre soportes libres resultan aproximadamente 20 a 25 % menores a las distancias requeridas por los soportes fijos, a igualdad de condiciones de diámetro, espesor de pared y peso total de la cañería. Una clasificación genérica para los soportes de cañerías podría ser la que a continuación se describe:

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Apoyados Rígidos 1- Soportes para sostén del peso de Colgantes las cañerías Con resorte Semirrígidos Con contrapeso De fijación total (restringen la totalidad de grados de libertad) 2- Soportes destinados a limitar los movimientos en las cañerías Que permiten sólo movimientos ax iales (guías) Que restringen algún o algunos grados de libertad 3- Soportes destinados a la absorción de vibraciones - Amortiguadores Resulta necesario aclarar que esta clasificación no resulta muy rigurosa, ya que los diferentes tipos de soportes descriptos cumplen a su vez distintas funciones. Así la totalidad de soportes que limitan movimientos también sustentan pesos y recíprocamente todos aquellos que se diseñan para soportar pesos ejercen alguna limitación en los movimientos de las cañerías. En aquellos casos en los que se quiera asegurar el drenaje completo de la línea por gravedad, la instalación de la misma deberá poseer pendientes capaces de compensar las flechas que se generen en los distintos tramos de sujeción de las cañerías. A continuación se muestran algunas soluciones/ tipos de soportes comúnmente utilizados:

Soporte Abrazadera Colgante para Servicios Pesados Diseños utilizados para cañerías de gran diámetro FIGURA 8

FIGURA 9

Soporte Abrazadera Colgante Simple Se utilizan generalmente para la sustentación de cañerías de pequeño diámetro sin aislación, con o sin movimiento

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FIGURA 10

FIGURA 11

FIGURA 12 1.13-VALVULAS En la actualidad se dispone de una gran variedad, tipo y diseños de válvulas, cada una de las cuales poseen cualidades especiales tanto como particulares. De entre ellas, el proyectista deberá elegir/ seleccionar las que más se adapten a las necesidades requeridas por los procesos de manera de poder proveer un servicio tanto eficaz como económico en cada caso. Es necesario entonces verificar y contrastar cuidadosamente las características y bondades de cada tipo de válvula, con las necesidades o requerimientos de cada proceso/ servicio. Por lo tanto, se necesita conocer lo más profundamente posible cada detalle y condición del trabajo que debe soportar como ser: presión y temperaturas de trabajo, tipo de fluido circulante, ciclos de operación, etc.

Soporte tipo Deslizante Se utilizan generalmente para el soporte de cañerías con o sin aislación y con o sin movimiento

Diseños Típicos con Soportes Colgantes a Resorte (Muelles) Se utilizan generalmente en cañerías de hasta 4”, en instalaciones con líneas para conducción de fluidos a alta temperatura

Soporte Deslizante a Rodillos Se utilizan normalmente para servicios pesados y líneas con gran movilidad, debido fundamentalmente a los altos gradientes de temperatura que generan determinados procesos

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Otras consideraciones a tener en cuenta, para seleccionar el tipo de válvula más adecuado para un proceso son los costos iniciales, de instalación y de mantenimiento ya que éstos varían sustancialmente para cada tipo de válvula. 1.13.1-TIPO DE VALVULAS A continuación se detallan los distintos tipos de válvulas generalmente utilizadas en las instalaciones industriales: Válvula Esclusa: Es el tipo más comúnmente utilizado en las cañerías industriales. En éstas un simple disco en forma de compuerta, accionado por un vástago roscado y un volante, se mueve en dirección perpendicular a la del fluido cerrando su paso al ajustar sobre dos asientos laterales. Las válvulas esclusas deben ser usadas como válvulas de paso, es decir, para cerrar o abrir la totalidad del paso al fluido, única función para la cual se recomienda este tipo de válvula. La velocidad y presión del fluido actuando sobre el disco compuerta “poco abierto” puede causar una mayor turbulencia del flujo circulante, produciendo vibraciones y sacudidas del disco, dañando al mismo además de producir efectos erosivos y perjudiciales sobre los asientos. Este tipo de válvula no está diseñada para regulación de caudal ni para ser operadas frecuentemente. Por otro lado, permiten un “paso completo” al fluido y por lo tanto generan muy baja pérdida de carga en la línea. Válvula Globo: A diferencia de las válvulas esclusas, que asientan en forma perpendicular a la dirección del flujo, las válvulas globo tienen el asiento paralelamente a aquel. El flujo a través de la válvula sigue una trayectoria cambiante, aumentando la resistencia al paso del fluido y provocando por lo tanto una importante pérdida de carga. Este tipo de válvulas resultan adecuadas para realizar la regulación del caudal circulante. La proporcionalidad directa entre el tamaño de la abertura y el número de vueltas del volante de la válvula, permite una regulación bastante exacta del paso del fluido. El disco y el asiento pueden ser recambiados rápidamente. Resultan, fundamentalmente por esta razón, apropiadas para ser utilizadas en forma frecuente. Se las construye en dos diseños particulares, el más comúnmente utilizado posee sus bocas de conexión de entrada y salida de fluido sobre el mismo eje de la cañería. En cambio, el diseño restante, llamada válvula globo de ángulo o válvula de ángulo, posee una boca o conexión de ingreso inferior, alineada con el eje del vástago, con su boca o conexión de salida a 90 grados respecto de la boca de entrada del fluido. Válvula de Retención: Este tipo de válvulas se utilizan para prevenir el retorno del flujo en las líneas, funcionando de forma automática. Según el principio de operación, estas válvulas se dividen en dos tipos: A charnela (o clapeta): la presión del líquido mueve automáticamente un disco oscilante, abriéndolo para permitir la circulación del flujo máximo, en caso de inversión de flujo, el peso del disco y la presión contraria cierran el disco contra el asiento deteniendo el contra flujo. El movimiento del fluido se produce en una línea recta, prácticamente sin restricciones, similarmente a lo que ocurre en una válvula esclusa; por lo tanto, presentan poca pérdida de presión y pueden ser instaladas tanto en forma vertical como horizontal. A pistón (disco o bola): la presión de la línea levanta el pistón dejando pasar al fluido que cambia su curso de forma similar a lo que ocurre en las válvulas globo. Cuando el flujo se invierte, el pistón cae y apoya sobre su asiento deteniendo el contra flujo. Se instalan en posición horizontal con el lado de presión bajo el pistón. Otros modelos poseen diseños similares utilizando un disco con guías y otras una esfera metálica en lugar del pistón antes descripto, cumpliendo éstas una idéntica función y resultados. Estas válvulas, por su particular diseño, presentan una elevada pérdida de carga.

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Válvula Esférica: Están formadas por un cuerpo que contiene una esfera perforada (obturador) ubicada entre dos asientos, los que generalmente son auto-ajustables y material de teflón. En estas, a medida que la presión del fluido aumenta, el cierre producido por la esfera sobre el asiento, opuesto a la dirección del flujo, resulta cada vez más hermético. No obstante, el cierre se mantiene estanco sobre el otro asiento mediante un sistema de auto ajuste. La apertura o cierre total de este tipo de válvula se consigue girando sólo un cuarto (¼) de vuelta su asa de accionamiento, la que se halla vinculada a la esfera por medio de un sencillo vástago. Con la simple observación del asa y su alineación respecto del el eje longitudinal de la cañería se puede determinar si la válvula se halla en posición abierta (ejes alineados) o cerrada (ejes perpendiculares). El paso del fluido a través de una válvula esférica puede ser, dependiendo del diseño elegido, total o restringido. Es total cuando el diámetro de la perforación (abertura) es igual al diámetro interior de la cañería y restringido cuando el mismo es menor a éste. Las válvulas de paso total presentan valores mínimos de pérdida de carga pero costos mucho mayores respecto a las de paso reducido, las que además generan importantes pérdidas de carga. Los diseños de paso total, son válvulas que permiten un sencillo y económico mantenimiento, permitiendo un fácil recambio de asientos y retenes, sin necesidad de retirar la válvula de la línea. Generalmente son utilizadas para servicios poco severos de agua, aire comprimido, líneas de vacío, fluidos viscosos, gas natural, etc. Se construyen con cuerpos de diversos materiales como ser bronce, acero inoxidable y en aceros cromados tanto como en materiales termoplásticos. Las relaciones de presión y temperatura de trabajo de las mismas son normalmente indicadas por los fabricantes de las mismas, dependiendo éstos de los materiales constructivos, diseño de asientos y de los diámetro de la válvula. Los extremos de estas válvulas se construyen tanto roscados (en válvulas de pequeño diámetro) como bridados. (normalmente para diámetros mayores a las 2”) Válvula a Tapón: Son válvulas del tipo cónicas y rotativas. La conicidad del tapón y del asiento permiten siempre un contacto continuo entre ambos. La apertura y cierre de la válvula se realiza con sólo un cuarto (¼) de vuelta, accionando un vástago, el que se encuentra vinculado por un lado al tapón cónico y por el otro a un asa con la que se maniobra y maneja la válvula. Se fabrican de diversos materiales como ser de bronce, fundiciones de hierro, aceros fundidos, etc. y se las utilizan generalmente en líneas y servicios de gas, aire comprimido, derivados de petróleo, etc. Válvula a Diafragma: Esta consiste de un cuerpo principal sobre el cual se apoya y ajusta un diafragma de material flexible generando así el cierre de la válvula. El diafragma normalmente se desplaza mediante la acción de un vástago roscado con un volante solidario. El cuerpo referenciado generalmente se construye en fundición de hierro con sus internos revestidos en diversos materiales como ser ebonita, polietileno u otros a los efectos de evitar desgastes, contaminación y otros efectos en función del fluido circulante por la misma. El diafragma flexible se selecciona también según la naturaleza del fluido circulante y normalmente se construye de caucho sintético y tela, hypalon, teflón, etc. Este tipo de válvulas presentan un buen cierre al paso del fluido e importante facilidad de mantenimiento. Se fabrican generalmente para pequeños diámetros (hasta Diámetros Nominales de 4” - 6”) con extremos tanto roscados como bridados. Su limitación de uso generalmente está definido por las temperaturas y/o presiones de trabajo en función al material seleccionado para el diafragma de la misma. Su uso está generalizado en el manejo de fluidos corrosivos, aire comprimido, líneas de vacío, gas natural, etc. Válvula de Seguridad: Llamada también como válvula de alivio. Su construcción es similar a la de las válvulas globo de ángulo. La válvula, se mantiene cerrada por la acción de un resorte (muelle) cargado y con regulación predefinida. Cuando la fuerza ejercida por la presión del fluido en la entrada, que actúa sobre la parte inferior del disco de cierre, supera el valor de la fuerza antagónica dada al resorte, la válvula se abre liberando presión de la línea.

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Se pueden diferenciar dos tipos de válvulas de similar construcción, salvo en detalles de diseño en obturadores y discos, situación que les confiere características de funcionamiento diferentes: a- Válvula de seguridad: es una válvula en la cual la apertura se produce por medio de la presión estática y se caracteriza por operar rápidamente abriéndose totalmente y produciendo una suerte de disparo (Blow-up). Se las utiliza generalmente para servicio con gases y vapor de agua. b- Válvula de alivio: su construcción y operación es similar al de la válvula de seguridad pero la apertura de la misma se produce guardando proporción con el incremento de la presión de apertura con que fue regulada. Se las utiliza generalmente en servicios con líquidos. La función principal de estas válvulas es la de proteger equipos, calderas, recipientes a presión, sistemas y cañerías de las presiones que excedan la presión de diseño en un porcentaje predeterminado como valor máximo permisible. Este valor permisible de sobre-presión está cubierto por diferentes códigos en función del tipo de equipamiento de que se trate como de las causas que generan dicha sobrepresión. El código ASME - Sección VIII, indica para recipientes a presión no expuestos al fuego: 10% de sobrepresión admisible, para calderas: 6%. La selección del tamaño de válvula se realiza teniendo en cuenta los siguientes parámetros básicos: características del fluido conducido, temperatura máxima, presión de apertura y caudal máximo a ventear. Con esta información, en los catálogos de los fabricantes, se puede seleccionar orificios adecuados, tamaño y demás características constructivas de las válvula. Válvula de Control: Es una válvula, por lo general de diseño similar a una válvula globo, que de acuerdo al tipo de movimiento del vástago puede clasificarse como lineal (tipo globo de simple o doble asiento) o rotativa (tipo esférica, mariposa, etc.) La válvula de control es el elemento final de un “lazo de control”. Un lazo de control simple, consta de un instrumento capaz de captar, a través de un elemento sensor, cualquier desviación en las condiciones del proceso, comparado a un valor previamente definido. En estas condiciones envía una señal de presión (aire comprimido) al diafragma del actuador de la válvula para abrir o cerrar en forma proporcional a la desviación producida en el proceso. Válvulas Autoreguladoras de Presión -Temperatura: son válvulas automáticas que funcionan sin la intervención de una acción externa. La mayoría de ellas actúan a través de una pequeña válvula piloto, integral a la válvula principal, que es la encargada de recibir una determinada señal del equipo controlado, mediante el cual habilita su accionar. Las hay de diversos tipos, diseños y rangos y se utilizan como parte de los sistemas de control siendo que los fabricantes de las mismas facilitan tanto su cálculo como su mejor selección a través del uso de catálogos técnicos donde se explicitan diámetro de conexiones, capacidades, rangos de presiones y temperaturas (entrada/salida) y demás características propias a considerar para la selección del modelo más adecuado o conveniente para cada servicio. Otras: En el campo de “líneas de procesos o productos” existen no menos de una veintena más de válvulas donde cada una de ellas puede a su vez poseer diferentes modelos, tamaños y materiales constructivos; todo ello en función del tipo de servicio, caudales, pérdidas de carga, etc. que se requiera satisfacer en determinado proceso. Por otra parte es importante señalar que a su vez cada producto-proceso requiere generalmente de determinada cualidades, diseños y prestaciones que seguramente no resultan aptas para otros productos-procesos. Por ejemplo, en líneas y procesos en industrias de la alimentación normalmente se utilizan válvulas que en casi su totalidad necesariamente deben ser de acero inoxidable además de poseer sistemas y diseños en las líneas y accesorios que permitan un fácil y periódico desarme para limpieza. Sin embargo, si nos trasladamos a una refinería de petróleo, encontraremos líneas y valvulería absolutamente diferentes a las antes mencionadas y así sucesivamente podemos nombrar decenas de procesos particulares en los que se requieren tanto sistemas como elementos (válvulas, accesorios, sistemas de control, etc.) particulares.

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Sin embargo los diversos tipos y diseños referenciados en este trabajo constituyen la base principal de las válvulas existentes en el mercado. 1.13.2-ESQUEMAS, PARTES Y SENTIDO DE FLUJO DE DIVERSOS TIPOS DE VALVULAS

Válvula Globo – Esquema de partes constitutivas y sentido del flujo FIGURA 13

Esquema de circulación del flujo en distintos tipos de válvulas FIGURA 14

Válvula Esclusa Válvula Globo Angulo

Válvula a Diafragma

Válvula de Retención

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1.14-ACCESORIOS Aparte de los elementos descriptos, existe una importante cantidad de elementos denominados accesorios que normalmente son utilizados tanto para la conducción como para el control de las líneas. Juntas de expansión, curvas, filtros, derivaciones, reducciones, cruces, tés, placas de orificio, presostatos, vacuómetros, termómetros, caudalímetros, etc. Para la correcta selección de estos particulares y variados elementos se deberán tener presentes, entre otros, las condiciones de operación necesarias (caudal, presión y temperatura), tipo de fluido circulante por las líneas, condiciones de seguridad requerida en los procesos y demás características y exigencias propias de cada proyecto. Materiales constitutivos, peso por unidad, dimensiones, resistencia mecánica, diámetros nominales, pérdidas de carga y demás características se hallan normalizadas por lo que sólo restaría observar la existencia en plaza de los mismos a la hora de realizar y/o aprobar un determinado diseño. La mayoría de los accesorios se construyen, al igual que las cañerías, en determinados grados de resistencia que se agrupan en series/ Schedule que responden a dimensiones de pared apropiadas respecto de los espesores propios de los caños a los que deben unirse. Los accesorios para líneas de más de 2” de diámetro nominal o en aquellas líneas donde los valores de presión y/o temperatura poseen importante relevancia, se construyen de acero forjado y los mismos son de diseño para soldar. Por el contrario, en las líneas de poco diámetro y/o de bajos requerimientos se utiliza un diseño de accesorio con rosca en sus extremos y calidad y costo de materiales inferiores a los descriptos anteriormente. Es importante aclarar que no existe una dimensión tal de cañería que defina cómo será el diseño de unión de las mismas con los caños u otros accesorios. Ello dependerá de una sumatoria de cuestiones además del acabado conocimiento y experiencias que se posea respecto al fluido a manejar. A modo de ejemplo podemos citar que actualmente resulta normal y económico construir en plantas industriales cañerías para la conducción de agua potable y otros fluidos de hasta 4” de diámetro nominal o mayores, en materiales termoplásticos con accesorios roscados. Por el contrario existen cañerías menores a 1” que necesariamente deben construirse soldadas en toda su longitud, como ser algunas cañerías para el transporte de fluidos altamente corrosivos o bien cañerías en procesos con altos requerimientos de presión (circuitos hidráulicos de alta presión). 1.15-PROTECCION E IDENTIFICACION DE CAÑERIAS Toda instalación necesita que sus elementos componentes posean, entre otros, una protección exterior que garantice el buen estado de los mismos frente a la acción de la atmósfera del medio en el que se hallen. Para ello, se recurre normalmente a practicarles un proceso de “pintado exterior” con lo que no sólo se resuelve dicha instancia sino que también, y aprovechando el mismo, se obtiene la materialización de un “sistema de identificación” de las cañerías, por ello aseguramos que: IDENTIFICACIÓN DEL FLUIDO CIRCULANTE PINTADO DE CAÑERÍAS PROVEE DE PROTECCIÓN EXTERIOR 1.15.1-IDENTIFICACION DEL FLUIDO CIRCULANTE Y DEFINICIONES SEGUN NORMAS IRAM Para el proceso de pintura para la identificación de cañerías se hará referencia a la nomenclatura y conceptos utilizados por la norma IRAM 2507/65, la que define como: 1.15.1.1-CAÑERIA “Se entiende por cañería a todo el sistema formado por los caños, uniones, válvulas, tapones, todas las conexiones para el cambio de dirección de la cañería y la eventual aislación exterior de ésta última, que

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se emplea para la conducción de gases, líquidos, semilíquidos, vapores, polvos, plásticos, cableados eléctricos, etc.” A su vez, dicha norma hace una clasificación particular de las cañerías a las que divide en dos (2) grandes grupos, a saber: Cañerías destinadas a conducir productos de servicio (agua, vapor, combustible, etc.) Las cañerías destinadas a conducir productos de servicio se identificarán pintándolas en toda su longitud43

SERVICIO

con los siguientes colores fundamentales:

COLOR IDENTIFICATORIO

FUEGO ROJO COMBUSTIBLES AMARILLO

AIRE COMPRIMIDO AZUL ELECTRICIDAD NEGRO

VACIO CASTAÑO AGUA CALIENTE VERDE CON FRANJAS

Colores empleados para la identificación de Cañerías TABLA 16 Cañerías destinadas a conducir materias primas, productos en proceso y productos terminados. A su vez a éstas, se subdividen en dos grandes grupos: Productos Inofensivos y Productos Peligrosos. Productos Inofensivos: Color gris en toda su longitud (cualquiera sea el producto que conduzcan). Productos Peligrosos: Color Fundamental: Se pintarán en color gris en toda su longitud Color Secundario: Se pintarán sobre el color fundamental, franjas de color naranja. 1.15.1.2-FRANJAS Las franjas o grupos de franjas se pintarán a una distancia máxima de seis (6) metros entre sí en los tramos rectos, a cada lado de las válvulas, de las conexiones, de los cambios de dirección de la cañería y junto a los pisos, techos o paredes que atraviese la misma. Se debe dejar un espacio de aproximadamente diez (10) cm. entre la boca de las válvulas o conexiones y la franja correspondiente, y también entre las franjas de un mismo grupo. El ancho de las franjas, con relación al diámetro exterior de la cañería, serán de:

43 En las cañerías de gran diámetro, puede reemplazarse el pintado total por el pintado de franjas del color establecido.

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Diámetro exterior de la cañería

D (mm.)

Ancho de franjas

A (mm.) D

< o igual a

50 200 300 600 800

50 < D 150 150 < D 250

D > 250

Ancho de Franjas Vs. Diámetro Exterior de Cañerías TABLA 17 1.15.1.3-LEYENDAS La identificación de los productos conducidos por las cañerías se podrá completar indicando con leyendas el nombre y/ o el grado de peligrosidad de los mismos. Las leyendas se pintarán directamente sobre las franjas o se adosarán a las cañerías de pequeño diámetro por medio de carteles especiales y el color de las letras será el negro o el blanco. La elección del color estará condicionado al establecimiento de un buen contraste con el color de las franjas. Cuando la cañería está colocada contra la pared, las leyendas se pintarán sobre el lado visible desde el lugar de trabajo, si está elevada se pintarán las leyendas debajo del eje horizontal de la cañería y si ésta se encuentra apartada de las paredes, se pintarán las leyendas sobre sus lados visibles. La altura de las letras con relación al diámetro exterior de la cañería será:

Diámetro exterior cañería D (mm.)

Altura de letras

B (mm.)

20

< o igual a

D < o igual a

30 13 20 25 30 40 45 50 65 75 80

30 50 50 80 80 100 100 130 130 150 150 180 180 230 230 280

> 280

TABLA 18 1.15.1.4-FLECHAS El sentido de circulación del fluido dentro de las cañerías se podrá identificar cuando sea necesario por medio de flechas que se pintarán a cada lado de las franjas o a diez (10) cm. de las bocas de las válvulas y conexiones. 1.15.1.5-IDENTIFICACIONES ADICIONALES Se podrá efectuar una identificación adicional del producto conducido por las cañerías, por medio de franjas o signos que no interfieran en la identificación establecida.

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1.15.1.6-CODIGO DE COLORES En todos los establecimientos se exhibirá en un lugar fácilmente accesible, para uso de los operarios, un gráfico con el código de colores utilizados para la identificación de las cañerías. 1.15.1.7-INDICACIONES COMPLEMENTARIAS En la tabla 19 se detallan los colores y tonos definidos por las normas IRAM como “colores de seguridad” a los cuales deberán asemejarse en lo posible los colores aplicados en la práctica. Identificación de Colores y Tonos según normas IRAM TABLA 19

FIGURA 15 1.15.2-PROTECCION EXTERIOR PARA LAS CAÑERIAS Las cañerías pueden hallarse instaladas en forma subterránea (enterradas) o bien en contacto con la atmósfera (de determinados y variables medios) en instalaciones aéreas. En ambos casos, éstas pueden también ser de diversos materiales como ser fibrocemento, hormigón, termoplástico, materiales metálicos no férreos, fundición de hierro, acero al carbono o aleado, etc. Podemos asegurar que sólo con un correcto y exhaustivo estudio, cálculo y determinación del conjunto de variables intervinientes en cada proceso, se podrán obtener las protecciones externas más adecuadas. A continuación se describen las variables normalmente intervinientes:

Color Colores-Tonos según normas IRAM-DEF-D10-54 Amarillo 05-1-020

Naranja 02-1-040 Verde 01-1-120 Rojo 03-1-080 Azul 08-1-070 Gris 09-1-060

Castaño 07-1-120

La inclusión de leyendas, dibujo de franjas y flechas, para la correcta identificación de líneas y fluidos circulantes, deben estar plasmadas sobre sectores de las mismas que permitan al operador su correcta visualización.

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A-TIPO DE INSTALACIÓN (AÉREA O SUBTERRÁNEA) B-CONDICIONES DEL MEDIO EN EL QUE SERÁN INSTALADAS (HUMEDAD, TEMPERATURA, ATMÓSFERA, ETC.) C-MATERIAL, DIÁMETROS Y TIPO DE CONFORMACIÓN DE LA CAÑERÍA VARIABLES D-FLUIDO CONDUCIDO Y CONDICIONES FISICO-QUÍMICAS DEL MISMO E-TIPO DE MANTENIMIENTO DEFINIDO F- FLEXIBILIDAD REQUERIDA POR LOS PROCESOS EN LAS QUE FORMA PARTE G-DURACIÓN (VIDA ÚTIL ESPERADA) H-OTRAS Las instalaciones realizadas con materiales inoxidables, fibrocemento, hormigón, vidrio, materiales termoplásticos y otros, normalmente no requieren de procesos de protección exterior por medio de pintura ni otros sistemas (recubrimientos varios) siendo normal la utilización de las mismas tan sólo con el acabado original del material correspondiente. En cambio, existen instalaciones subterráneas (fundamentalmente gasoductos) construidas en aceros aleados sobre las que no sólo se debe prever un sistema de protección primario con pintura sino que además requieren de recubrimientos externos, como sistema de protección secundario (logrados mediante materiales de características físico-químicas, espesores y diversos procesos de envoltura) más un sistema de protección terciario logrado a través de una circulación de corriente eléctrica a través de los mismos y a lo largo de la totalidad de la traza. Por otra parte, se tienen las instalaciones industriales de diseño estándar para la conducción de fluidos comunes con las que se trabaja a diario. Estas, construidas tanto de aceros al carbono como aleados, requieren también de una adecuada protección exterior. Para estos casos, se hace referencia a lo establecido por la norma IRAM 1094 – Pintado de Superficies Férreas – En esta norma resultan de suma importancia los siguientes factores: productos a utilizar (pinturas), preparación de las superficies y una correcta aplicación (influencia del estado atmosférico, aplicación uniforme, etc.) Por otra parte la norma IRAM 1094, define dos tipos diferenciados de trabajos, siendo: Trabajos Finos (vehículos, muebles, etc.) Trabajos Rústicos (cañerías, estructuras metálicas, etc.) En nuestro caso, trabajos definidos como del tipo rústico, los pasos a seguir para una correcta realización del proceso de pintado, serán: Limpieza de la superficie Fondo antióxido Enmasillado (puede ser, o no, necesario incluirlo) Impresión o fondo mate Pintura de acabado al aceite o esmalte Normalmente se logran completar estas etapas con un total aproximado de tres o cuatro manos, siendo que los espesores finales requeridos deberán ser perfectamente estudiados y definidos con el objeto de obtener la vida útil realmente esperada. En instalaciones en las que no se requieran aptitudes extremas o complejas ni los medios de la atmósfera que circunda a las partes de las mismas resulten muy agresivas, un proceso standard adecuado consistiría en: Arenado de la superficie a tratar a un Grado comercial tipo SSPC-SP 1044

44 SSPC-SP10: STEEL STRUCTURAL PAINTING COUNCIL – Grado SP 10: Arenado mediante proyección/ chorreo con arena fina dando una altura máxima de perfil de anclaje de aproximadamente 1,5 mils (38,1 micrones) logrando un acabado final con el metal en estado casi blanco.

Una (1) mano de pintura antióxido de aproximadamente cuarenta (40) micrones de espesor.

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Dos (2) manos de esmalte sintético de aproximadamente cuarenta (40) micrones de espesor cada una, del color que por norma corresponda para brindar una adecuada seguridad de identificación del fluido que circulará por la misma. Corresponde, debido a su fundamental importancia, reiterar con respecto a la preparación de la superficie en todo proceso de pintura, lo siguiente: “Para que un sistema de recubrimiento protector tenga éx ito, es esencial una preparación adecuada de la superficie”. Nunca se insistirá suficientemente sobre la importancia que tiene la eliminación del aceite, grasa, los recubrimientos antiguos y los contaminantes superficiales como ser restos del proceso de laminación, óxido en las cañerías de acero y de sales de zinc en las superficies galvanizadas. Podemos aseverar que el rendimiento de cualquier recubrimiento de pintura depende directamente de la preparación correcta y cuidadosa de la superficie antes de su aplicación ya que, toda preparación de superficie que resultara incorrecta o incompleta, incluso ante el sistema de protección más costoso o tecnológicamente mas avanzado, inevitablemente fracasará.

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1.16-TABLAS

CAÑO DIAMETRO NOMINAL

(pulg.)

DIAMETRO EXTERIOR

(mm)

DENOMINACION SEGUN ESPESOR PARED (mm)

DIAMETRO INTERIOR

(mm)

AREA INTERIOR

(cm2)

SUPERFICIE EXTERIOR

(m2/m)

PESO DEL CAÑO

(Kg/metro)

PESO DEL CAÑO -lleno de agua-

(Kg/metro) Nº SERIE (SCHEDULE) PESO

1/8" 10.29 40 STD 1.73 6.83 0.37 0.03 0.37 0.40 80 XS 2.41 5.47 0.24 0.03 0.47 0.49

1/4" 13.72 40 STD 2.23 9.26 0.67 0.04 0.63 0.70 80 XS 3.02 7.68 0.46 0.04 0.80 0.84

3/8" 17.15 40 STD 2.31 12.53 1.23 0.05 0.84 0.97 80 XS 3.20 10.75 0.91 0.05 1.10 1.19

1/2" 21.34

40 STD 2.77 15.80 1.96 0.07 1.27 1.46 80 XS 3.73 13.88 1.51 0.07 1.62 1.77 160 - 4.75 11.84 1.10 0.07 1.94 2.05 - XXS 7.47 6.40 0.32 0.07 2.55 2.58

3/4" 26.67

40 STD 2.87 20.93 3.44 0.08 1.68 2.02 80 XS 3.91 18.85 2.79 0.08 2.19 2.97 160 - 5.54 15.59 1.91 0.08 2.98 3.07 - XXS 7.82 11.03 0.95 0.08 3.62 3.73

1" 33.40

40 STD 3.38 26.64 5.57 0.10 2.50 3.05 80 XS 4.55 24.30 4.64 0.10 3.23 3.70 160 - 6.35 20.70 3.37 0.10 4.23 4.57 - XXS 9.09 15.22 1.82 0.10 5.44 5.63

1.1/4 42.16

40 STD 3.56 35.04 9.65 0.13 3.38 4.35 80 XS 4.85 32.46 8.27 0.13 4.46 5.29 160 - 6.35 29.46 6.82 0.13 5.60 6.28 - XXS 9.70 22.76 4.07 0.13 7.76 8.16

1.1/2" 48.26

40 STD 3.68 40.90 13.13 0.15 4.04 5.36 80 XS 5.08 38.10 11.40 0.15 5.40 6.54 160 - 7.14 33.98 9.07 0.15 7.23 8.13 - XXS 10.16 27.94 6.13 0.15 9.53 10.15

2" 60.33

40 STD 3.91 52.51 21.67 0.19 5.44 7.60 80 XS 5.54 49.25 19.05 0.19 7.47 9.38 160 - 8.71 42.91 14.45 0.19 11.08 12.52 - XXS 11.07 38.19 11.44 0.19 13.44 14.58

2.1/2" 73.00

40 STD 5.10 62.68 30.90 0.23 8.50 12.00 80 XS 7.01 58.98 27.35 0.23 11.50 14.10 160 - 9.53 53.94 22.90 0.23 14.85 17.15 - XXS 11.02 44.96 15.87 0.23 20.30 21.95

3" 88.90

40 STD 5.49 77.92 47.67 0.28 11.28 16.04 80 XS 7.62 73.66 42.58 0.28 15.25 19.51 160 - 11.10 66.70 34.90 0.28 21.31 24.80 - XXS 15.24 58.42 26.77 0.28 27.65 30.23

4" 114.30

40 STD 6.04 102.26 82.11 0.36 16.06 24.26 80 XS 8.58 97.18 74.18 0.36 22.29 29.70 120 - 11.10 92.10 66.63 0.36 28.21 34.88 160 - 13.49 87.32 59.86 0.36 33.49 39.47 - XXS 17.12 80.66 50.31 0.36 40.98 46.01

5" 141.30

40 STD 6.55 128.20 129.10 0.45 20.30 34.60 80 XS 9.53 122.30 117.35 0.45 30.90 42.60 120 - 12.70 115.90 105.50 0.45 40.30 50.80 160 - 15.87 109.60 94.25 0.45 49.00 58.45 - XXS 19.05 103.20 83.67 0.45 57.40 65.60

DIMENSIONES Y PESOS DE CAÑERIAS DE ACERO CON COSTURA Y SIN COSTURA (ASTM B.36.10M -1996)

TABLA 20 (A)

36

CAÑO DIAMETRO NOMINAL (pulg.)

DIAMETRO EXTERIOR (mm)

DENOMINACION SEGUN ESPESOR

PARED (mm)

DIAMETRO INTERIOR (mm)

AREA INTERIOR (cm2)

SUPERFICIE EXTERIOR (m2/m)

PESO DEL CAÑO (Kg/metro)

PESO DEL CAÑO -lleno de agua- (Kg/metro)

Nº SERIE (SCHEDULE) PESO

6" 168.30

40 STD 7.11 154.10 186.34 0.53 28.23 46.84 80 XS 10.97 146.30 168.15 0.53 42.51 59.31 120 - 14.27 139.70 153.32 0.53 54.15 69.48 160 - 18.24 131.80 136.42 0.53 67.41 81.04 - XXS 21.95 124.40 121.45 0.53 79.10 91.26

8" 219.10

20 - 6.35 206.40 334.11 0.69 33.27 66.72 30 - 7.04 205.00 330.24 0.69 36.75 69.75 40 STD 8.18 202.70 322.50 0.69 42.48 74.75 60 - 10.31 198.50 308.96 0.69 53.03 83.97 80 XS 12.70 193.70 294.77 0.69 64.56 94.02 100 - 15.06 189.00 280.58 0.69 75.69 103.72 120 - 18.24 182.60 261.87 0.69 90.22 116.41 140 - 20.62 177.80 249.33 0.69 100.83 125.66 - XXS 22.23 174.60 239.30 0.69 107.76 131.70 160 - 23.01 173.10 235.43 0.69 114.14 134.65

10" 273.10

20 - 6.35 260.40 532.13 0.85 41.72 95.00 30 - 7.80 257.50 520.52 0.85 50.95 103.00 40 STD 9.27 254.50 508.91 0.85 60.23 111.00 60 XS 12.70 247.70 481.82 0.85 81.45 130.00 80 - 15.06 242.90 463.11 0.85 95.72 142.00 100 - 18.24 236.60 439.25 0.85 114.47 158.00 120 - 21.41 230.20 416.03 0.85 132.73 174.00 140 - 25.40 222.30 387.65 0.85 154.95 194.00 160 - 28.58 215.90 365.72 0.85 172.09 207.00

12" 323.80

20 - 6.35 311.20 760.46 1.02 49.67 126.00 30 - 8.38 307.10 740.46 1.02 65.13 139.00 - STD 9.53 304.80 729.50 1.02 73.75 147.00 40 - 10.31 303.20 721.76 1.02 79.65 152.00 - XS 12.70 298.50 699.18 1.02 97.34 167.00 60 - 14.27 295.30 684.99 1.02 108.86 178.00 80 - 17.45 289.00 655.32 1.02 131.70 197.00 100 - 21.41 281.00 619.85 1.02 159.51 221.00 120 - 25.40 273.10 585.66 1.02 186.73 245.00 140 - 28.58 266.70 558.57 1.02 207.84 264.00 160 - 33.32 257.20 519.23 1.02 238.48 291.00

14" 355.60

10 - 6.35 342.90 923.00 1.12 55.20 147.00 20 - 7.92 339.80 906.00 1.12 68.45 159.00 30 STD 9.53 336.50 889.00 1.12 81.80 171.00 40 - 11.10 333.40 873.00 1.12 93.70 181.00 - XS 12.70 330.20 856.00 1.12 107.10 193.00 60 - 15.08 325.40 832.00 1.12 126.40 210.00 80 - 19.05 317.50 792.00 1.12 159.50 235.00 100 - 23.81 308.00 745.00 1.12 194.80 269.00 120 - 27.78 300.00 707.00 1.12 224.45 296.00 140 - 31.75 292.10 670.00 1.12 254.20 321.00 160 - 35.71 284.20 634.00 1.12 282.50 347.00

DIMENSIONES Y PESOS DE CAÑERIAS DE ACERO CON COSTURA Y SIN COSTURA (ASTM B.36.10M -1996)

TABLA 20 (B)

37

CAÑO DIAMETRO NOMINAL

(pulg.)

DIAMETRO EXTERIOR

(mm)

DENOMINACION SEGUN ESPESOR

PARED (mm)

DIAMETRO INTERIOR

(mm)

AREA INTERIOR

(cm2)

SUPERFICIE EXTERIOR

(m2/m)

PESO DEL CAÑO

(Kg/metro)

PESO DEL CAÑO -lleno

de agua- (Kg/metro) Nº SERIE

(SCHEDULE) PESO

16" 406.40

10 - 6,35 393,7 1217 1,28 62,57 184 20 - 7,92 390,6 1197 1,28 77,91 198 30 STD 9,53 387,4 1177 1,28 93,12 211 40 XS 12,7 3,81 1139 1,28 123,16 237 60 - 16,66 373,1 1092 1,28 159,96 269 80 - 21,41 363,6 1037 1,28 203,05 307 100 - 26,19 354 984 1,28 245,27 344 120 - 30,94 344,5 932 1,28 286,13 397 140 - 36,5 333,4 872 1,28 332,57 420 160 - 40,46 325,5 832 1,28 364,72 488

18" 457.20

10 - 6.35 444.50 1551.00 1.44 70.52 226.00 20 - 7.92 441.40 1529.00 1.44 87.84 241.00 - STD 9.53 438.20 1507.00 1.44 105.04 256.00 30 - 11.10 435.00 1486.00 1.44 122.11 271.00 - XS 12.70 431.80 1464.00 1.44 139.05 285.00 40 - 14.27 428.70 1442.00 1.44 155.87 300.00 60 - 19.05 419.10 1379.00 1.44 205.60 344.00 80 - 23.80 409.60 1317.00 1.44 254.08 386.00 100 - 29.36 398.50 1246.00 1.44 309.44 434.00 120 - 34.93 387.40 1177.00 1.44 363.28 479.00 140 - 39.67 377.90 1121.00 1.44 408.05 526.00 160 - 45.24 366.70 1055.00 1.44 459.06 565.00

20" 508.00

10 - 6.35 495.30 1925.00 1.60 78.46 271.00 20 STD 9.53 489.00 1876.00 1.60 116.96 304.00 30 XS 12.70 482.60 1828.00 1.60 154.95 338.00 40 - 15.06 477.90 1793.00 1.60 182.89 362.00 60 - 20.62 466.28 1710.00 1.60 247.60 419.00 80 - 26.19 455.60 1629.00 1.60 310.80 474.00 100 - 32.54 422.90 1540.00 1.60 381.08 535.00 120 - 38.10 431.80 1464.00 1.60 441.00 587.00 140 - 44.45 419.10 1379.00 1.60 507.56 545.00 160 - 49.99 408.00 1307.00 1.60 563.97 695.00

22" 558.80 - STD 9.53 539.70 2290.00 1.75 129.50 359.00 - XS 12.70 533.40 2232.00 1.75 171.00 394.00

24" 609.60

10 - 6.35 596.90 2799.00 1.91 94.35 374.00 20 STD 9.53 590.60 2741.00 1.91 140.79 414.00 - XS 12.70 584.20 2676.00 1.91 186.73 455.00 30 - 14.27 581.10 2650.00 1.91 209.51 475.00 40 - 17.45 574.70 2592.00 1.91 254.71 514.00 60 - 24.59 260.40 2463.00 1.91 354.31 601.00 80 - 30.94 547.70 2354.00 1.91 440.98 677.00 100 - 38.89 531.80 2218.00 1.91 546.69 769.00 120 - 46.02 517.60 2102.00 1.91 638.90 849.00 140 - 52.37 504.90 1999.00 1.91 718.90 919.00 160 - 59.51 490.60 1889.00 1.91 806.40 995.00

26" 660.40 - STD 9.53 641.30 3232.00 2.07 153.30 476.00 - XS 12.70 635.00 3168.00 2.07 202.50 520.00

30" 762.00 10 - 7.92 746.20 4373.00 2.39 147.20 584.00 20 - 12.70 736.60 4263.00 2.39 234.40 660.00 30 - 15.88 730.30 4186.00 2.39 291.70 711.00

DIMENSIONES Y PESOS DE CAÑERIAS DE ACERO CON COSTURA Y SIN COSTURA (ASTM B.36.10M -1996)

TABLA 20 (C)

38

MATERIAL Maximum Allowable Stress Values in Tension in Thousands of Pounds Per Square Inch For Metal Temperature Not Exceeding Deg. F

ESPECIFICATION

CLASS OR TYPE

WELD JOINT EFFICIENCY

-20 to 100

200 300 400 500 600 650 -20 to 650

700 750 800 GRADO

CARBON STEEL

Seamless P ipe and Tubes

1 A53 A S - - - - - - - - 12.0 11.6 10.7 9.0 2 A53 B S - - - - - - - - 15.0 14.3 12.9 10.8 3 A106 A - - - - - - - - - 12.0 11.6 10.7 9.0 4 A106 B - - - - - - - - - 15.0 14.3 12.9 10.8 5 A106 C - - - - - - - - - 17.5 16.6 14.7 12.0 6 A120 - - - 10.8 10.6 10.2 9.8 - - - - - - - 7 A179 - - - - - - - - - - 11.7 11.5 10.7 9.0 8 A192 - - - - - - - - - - 11.7 11.5 10.7 9.0 9 A210 A1 - - - - - - - - - 15.0 14.3 12.9 10.8 10 A210 C - - - - - - - - - 17.5 16.6 14.7 12.0 11 A333 1 - - - - - - - - - 13.7 - - - 12 A333 6 - - - - - - - - - 15.0 - - - 13 API-5L A - - - - - - - - - 12.0 11.6 10.7 9.0 14 API-5L B - - - - - - - - - 15.0 14.3 12.9 10.8

Furnace Butt Welded P ipe

1 A53 - F 0.6 - - - - - - - 6.7 6.5 - - 2 A120 - - 0.6 6.5 6.3 6.1 5.8 - - - - - - - 3 API-5L A25 I & II 0.6 6.7 6.7 6.7 6.7 - - - - - - -

Electric Resistance Welded and Electric Flash Welded P ipe and Tubes

1 A53 A E 0.85 - - - - - - - 10.2 9.9 9.1 7.6 2 A53 B E 0.85 - - - - - - - 12.7 12.2 11.0 9.2 3 A120 - - 0.85 9.2 9 8.6 8.3 - - - - - - - 4 A135 A - 0.85 - - - - - - - 10.2 9.9 9.1 7.6 5 A135 B - 0.85 - - - - - - - 12.7 12.2 11.1 9.2 6 A178 A - 0.85 - - - - - - - 9.9 9.8 9.1 7.6 7 A178 C - 0.85 - - - - - - - 12.7 12.1 11.0 9.2 8 A214 - - 0.85 - - - - - - - 9.9 9.8 9.1 7.6 9 A226 - - 0.85 - - - - - - - 9.9 9.8 9.1 7.6 10 A333 1 - 0.85 - - - - - - - 11.7 - - - 11 A333 6 - 0.85 - - - - - - - 12.7 - - - 12 API-5L A25 I & II 0.85 9.5 9.5 9.5 9.5 - - - - - - - 13 API-5L A - 0.85 - - - - - - - 10.2 9.9 9.1 7.6 14 API-5L B - 0.85 - - - - - - - 12.7 12.2 11.0 9.2

Electric Fusion (Arc) Welded P ipe

1 A134 A283A - 0.8 - - - - - - - 8.3 - - - 2 A134 A283B - 0.8 - - - - - - - 9.2 - - - 3 A134 A283C - 0.8 - - - - - - - 10.1 - - - 4 A134 A283D - 0.8 - - - - - - - 10.1 - - - 5 A134 A285A - 0.8 - - - - - - - 9.0 8.8 - - 6 A134 A285B - 0.8 - - - - - - - 10.0 9.7 - - 7 A134 A285C - 0.8 - - - - - - - 11.0 10.6 - - 8 A134 A570A - 0.8 - - - - - - - 8.3 - - - 9 A134 A570B - 0.8 - - - - - - - 9.0 - - - 10 A134 A570C - 0.8 - - - - - - - 9.6 - - -

TABLA 21

39

2-CARACTERÍSTICAS Y CONSIDERACIONES GENERALES ACERCA DE LOS FLUIDOS 2.1-INTRODUCCION Cuando se trate de materializar un correcto manejo de fluidos, siendo tan amplia la gama y características de los mismos, resultará necesario conocer con precisión no solo las propiedades particulares y comportamiento de los mismos sino también las necesidades de los procesos en los que éstos se hallen involucrados. Entendiendo como fluido al estado particular de la materia en el que sus partículas se pueden mover cambiando de posición relativa sin desintegración de la masa, cabe distinguir a aquellos que oponen una gran resistencia a los cambios de volumen, es decir, aquellos que resultan prácticamente incompresibles “los líquidos” y aquellos que pueden ser comprimidos con mayor o menor facilidad “los gases”. LIQUIDOS TIPO DE FLUIDOS GASES Los primeros presentan superficies libres ocupando solamente el volumen del recipiente que los contiene, en cambio los segundos se caracterizan por no poseer superficies libres y por su tendencia a ocupar todo el volumen posible. El estudio teórico del equilibrio y del movimiento de los fluidos constituye la base fundamental de la mecánica de los fluidos. En ésta, podemos encuadrar tanto a la Hidrostática45 como a la Hidrodinámica46

Del mismo modo que la Mecánica deduce sus leyes basándose en el concepto ideal del sólido indeformable

. Generalmente estas dos acepciones se adoptan para el estudio de los líquidos. En cambio, la mecánica de los fluidos aplicada a la resolución de problemas reales y prácticos, particularizados para el caso del agua, constituye la base fundamental de la Hidráulica. Para clarificar terminologías diremos además que se designa con el nombre de Aerodinámica al estudio de los movimientos del aire junto a los fenómenos físicos relacionados con el desplazamiento de los cuerpos.

47

Sin discriminar sobre si se trata de fluidos ideales

, la hidrodinámica, frente a las incertidumbres que ofrecen los líquidos reales, ha debido hacer la abstracción de considerar para sus estudios, a un líquido ideal denominado también como líquido perfecto, el que se caracteriza por ser incompresible, indilatable y caloríficamente perfecto. A diferencia de la Hidrostática en la que se han podido establecer leyes bien definidas y rigurosamente comprobadas aún en el caso de líquidos reales, la Hidrodinámica, si bien ha podido establecer algunas leyes para definir las particularidades de un líquido perfecto en movimiento, no ha conseguido aún establecer expresiones matemáticas rigurosas para muchos problemas, los que se pueden resolver de forma aproximada combinando teorías matemáticas con desarrollos y resultados experimentales obteniéndose así las denominadas Fórmulas Prácticas de la Hidráulica. A continuación se desarrollará básicamente los parámetros, características y comportamientos de los fluidos líquidos. Al final de este capítulo se hará una breve síntesis respecto de las particulares que presentan los fluidos gaseosos, con particular referencia al manejo del aire comprimido 2.2-TIPO DE FLUJOS

48

45 Hidrostática: Estudio de los fluidos en reposo. 46 Hidrodinámica: Estudio de los fluidos en movimiento. 47 Denominado también como Cuerpo Rígido 48 Fluidos Ideales: Se denomina así a todos los fluidos que no poseen viscosidad

o reales podemos definir tres tipos fundamentales de flujo, a saber:

40

LAMINAR TIPO DE FLUJOS TURBULENTO PERMANENTE * FLUJO LAMINAR Denominación particular dada al movimiento en el que las partículas fluidas se mueven describiendo trayectorias paralelas, formando láminas o capas. En un flujo laminar se cumple la Ley de Newton de la Viscosidad49. Al coeficiente de proporcionalidad referenciado, se lo define como coeficiente de viscosidad dinámica o absoluta50 o simplemente como viscosidad absoluta. De igual forma, al cociente entre ésta y la densidad51 del fluido se lo define como viscosidad dinámica52

2.4-SUPERFICIE LIBRE - SUPERFICIE DE IGUAL PRESION Se denomina así a todos los puntos de una masa fluida que poseen igual presión hidrostática y que están situados a una misma altura con respecto a un plano de referencia horizontal. Dicho de otra manera sería: “Las superficies de igual presión o superficies de nivel, se definen sobre planos horizontales”.

. * FLUJO TURBULENTO En este tipo de flujos, las partículas se desplazan siguiendo trayectorias muy irregulares originando esto un importante intercambio de cantidad de movimiento de una parte del fluido a otra. En los flujos turbulentos se origina una mayor tensión de corte en el fluido lo que genera pérdidas de energía. Este tipo de flujo es el típico en la mayoría de procesos e instalaciones en plantas industriales. La acción de la viscosidad amortigua la tendencia a la turbulencia. * FLUJO PERMANENTE Se define así a los flujos “ideales”. En éstos, las propiedades del fluido y las condiciones del movimiento en cualquier punto permanecen invariables (constantes) en el tiempo. 2.3-TEOREMA FUNDAMENTAL DE LA HIDROSTATICA El teorema de la hidrostática expresa que la diferencia de presión entre dos puntos de una masa fluida en equilibrio, sometida a la acción de la gravedad como única fuerza exterior, es igual al producto del peso específico del líquido y la distancia vertical que separa a ambos puntos.

49 Ley de Newton de la viscosidad: Define para determinados fluidos, llamados Newtonianos, la existencia de una determinada proporcionalidad entre tensión de corte y velocidad de deformación. Los casos en los que no se verifica esta proporcionalidad, corresponde a los fluidos llamados no-Newtonianos. 50 Viscosidad Dinámica o Absoluta (μ): Propiedad que posee un material que se desplaza, de forma tal que su velocidad varía en 1m/sg por cada metro de distancia perpendicular al plano de deslizamiento siendo el esfuerzo tangencial aplicado, a lo largo de este plano, constante e igual a 1 Pascal; [Pa.sg = N.sg/m2= 10 P] ; P = Poise 51 Densidad: Masa por unidad de volumen 52 Viscosidad Cinemática (θ): Es una unidad de medida que nos da idea de la “resistencia a fluir” de un fluido bajo la acción de la gravedad. Se calcula haciendo el cociente entre viscosidad absoluta y densidad; [1 m2/sg = 104 St] ; St = Stokes ; Para el agua (20 °C) = 1 cSt (centistok)

Δp (A;B) = δ líquido . h (A;B) [kg/m2]

41

Un caso particular de superficie de igual presión es la superficie libre de una masa líquida, es decir, la superficie líquida en contacto con otro fluido, generalmente el aire atmosférico. La superficie libre de los líquidos se consideran / conforman planos horizontales). 2.5-PRESION ATMOSFERICA - ALTURA DE PRESION Del teorema fundamental de la hidrostática se deduce que: h = p / δ [m] Definida como altura representativa de la presión hidrostática o simplemente altura de presión. Así por ejemplo, considerando la presión atmosférica, es decir, la acción del peso del aire contenido en la atmósfera terrestre, que en promedio vale: 10.333 kg.m-2, la altura representativa de esta presión en metros de columna de agua53

Se denomina presión manométrica o presión relativa a la

vale: h = p / δ = 10.333 kg.m-2 / 1.000 kg.m-3 h = 10,333 m.c.a. 2.6-PRESIONES MANOMETRICAS Y ABSOLUTAS

presión que registra un dispositivo de medición normal54 presión. Dicho dispositivo, mide la en exceso respecto de la presión atmosférica. En consecuencia para obtener el valor correspondiente a la presión absoluta se deberá adicionar a la presión manométrica o relativa el valor correspondiente a la presión atmosférica. Por ello, todo valor de presión menor que la atmosférica constituye una depresión o vacío. El cero absoluto corresponderá entonces al vacío perfecto. 2.7-LEY DE LA HIDROSTATICA Se define como Ley de la Hidrostática a la expresión dada por: p h + ----- = Cte. δ Donde: H: Altura o cota geométrica del punto considerado, respecto a un plano de comparación dado. p/ δ: Altura representativa de la presión hidrostática en dicho punto de la masa fluida. A la suma de estas dos alturas se la denomina como “Altura Piezométrica”. Por lo tanto es válido expresar que: en un líquido en reposo, la altura piezométrica es constante en todos sus puntos. 2.8-FILAMENTO DE CORRIENTE - VENA LIQUIDA Si por la totalidad de puntos de una curva cerrada, situada dentro de una masa líquida en movimiento, se trazan líneas de corriente, éstas delimitarán una especie de tubo de longitud indeterminada que se denomina tubo de flujo o tubo de corriente.

53Designación de la unidad común en hidráulica para expresar valores de presión. Su equivalencia con otras unidades es la siguiente: 10,33 m.c.a (metros de columna de agua) = 0,760 m.c.hg (metros de columna de mercurio) = 1 atm = 1,013 bar = 14,69 psi 54 Manómetro

42

Aceptando que por definición las líneas de corriente tienen la propiedad de no entrecruzarse (es decir que las partículas liquidas escurren paralelamente a las líneas de corriente) el tubo de corriente no puede ser atravesado por el líquido, comportándose éste por tanto como un tubo rígido. Se interpreta por ello que el contenido líquido del mismo no varía. Al contenido de partículas líquidas de un tubo de corriente de directriz infinitesimal, es decir, al contenido material del tubo de corriente de sección transversal infinitesimal, se lo denomina Filamento de Corriente. Se denomina Vena Líquida a aquellas corrientes líquidas constituidas por haces de infinitos filamentos de corriente, rectos y paralelos o de muy pequeña curvatura y suave convergencia o divergencia. En general el movimiento de las partículas líquidas posee una dirección tanto común como general. 2.9-CAUDAL - ECUACION DE LA CONTINUIDAD Se define como Caudal o Gasto de una corriente líquida al volumen de fluido que atraviesa una determinada sección “A”, en la unidad de tiempo. Si el flujo fuera del tipo permanente, de modo que la velocidad de cada filamento de corriente se mantuviera constante en el tiempo y para todos ellos tuviera un valor promedio “V” el caudal de la corriente líquida resultará: Q = A1. V1 = A2. V2 = Ai . Vi = Cte. Donde: Ai : Area de la sección Vi : Velocidad media de la corriente Resultando entonces que en toda corriente líquida animada con movimiento permanente, el caudal resultará igual al producto de su sección transversal por el valor de la velocidad media de la misma (con dirección perpendicular a la sección considerada). Es decir, la continuidad de una masa líquida animada con movimiento permanente se caracteriza por la constancia del caudal, resultando entonces: A1 V2 -------- = ------ = Cte. A2 V1

Que es la expresión matemática de la Continuidad de una Corriente Líquida con Movimiento Permanente. De la misma, se deduce que las velocidades medias son inversamente proporcionales a sus respectivas secciones transversales. 2.10-TEOREMA DE VERNOULLI Este Teorema, que no es más que una confirmación del principio de conservación de la energía, es el más importante de la hidrodinámica y tiene importante aplicación en los estudios de la hidráulica. Con este Teorema, Vernoulli definió la interdependencia recíproca de presiones y velocidades a lo largo de la trayectoria de una partícula líquida, resultando:

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FIGURA 16 p1 v1

2 p2 v22

---- + ----- + h1 = ----- + ----- + h2 = H = Cte. δ 2g δ 2g Donde: hi : Altura geométrica de la partícula líquida, con respecto a un plano de referencia determinado pi / δ: Altura representativa de la presión hidrostática que el resto de la masa líquida, que rodea a la partícula líquida en estudio, ejerce sobre la misma. vi

2 /2g: Altura representativa de la velocidad que posee la partícula o bien la altura representativa de la energía cinética propia de la partícula. Esta ecuación expresa la invariabilidad, o constancia, de las energía total que posee una partícula de líquido perfecto, animada de movimiento permanente a lo largo de su trayectoria. Si en vez de considerar el movimiento de una partícula realizamos el estudio para una corriente líquida, el Teorema de Vernoulli estará representado por la siguiente constancia de energías: p1 ζ U2 h + ---- + --------- = H = Cte. δ 2g Donde: H: Altura geométrica del centro de gravedad de la sección transversal de la corriente líquida, con respecto a un plano de referencia determinado. P: Presión hidrostática unitaria en el centro de gravedad antedicho. U: Velocidad media de la corriente líquida, en la sección considerada. ζ : Coeficiente de Coriolis55

55 Por definición, el coeficiente de Coriolis (ζ) resulta de la relación entre la energía cinética real de la corriente líquida y la energía cinética que tendría ésta si la velocidad de cada filamento de corriente fuera constante e igual a la velocidad media de la corriente líquida. Su valor es siempre mayor que la unidad. Para su cálculo resulta necesario conocer la ley de variación de la velocidad a través de la sección transversal de la corriente líquida, siendo esto posible sólo en muy pocos casos. Resulta sencillo observar que cuanto mayor resulte la variación de la velocidad a través de la sección de la corriente líquida, tanto mayor resultara el valor de ζ .

Si ahora aplicamos Vernoulli, entre dos puntos (por ejemplo los puntos 1 y 2 de la Figura 16) de una corriente de líquidos naturales o “reales” tendremos: p1 ζ U1

2 p2 ζ U22

---- + --------- + h1 = ----- + -------- + h2 + Pérdidas de Energía (de 1 a 2) = Cte. δ 2g δ 2g Donde las pérdidas de energía (desde el punto1 al punto 2) representan la real y comprobable disminución de energías que se experimentan y miden prácticamente en la conducción de una masa de líquido real. Estas pérdidas se relacionan, entre otros factores, a los siguientes: Rugosidad de las paredes internas de la conducción Superficie mojada por el fluido (longitud de la conducción) Dimensión que caracteriza la forma (sección) de la conducción Velocidad media de la corriente líquida Viscosidad absoluta del fluido Densidad del fluido

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Esta última ecuación se interpreta como la Energía por Unidad de Peso que posee la masa fluida y suele definírsela mediante una particular unidad: metros de columna de liquido. (del fluido en cuestión). Podemos decir que prácticamente la totalidad de problemas que involucran flujos de fluidos líquidos se pueden resolver básicamente con la referida ecuación. 2.11-NUMERO DE REYNOLDS Se ha podido comprobar, mediante numerosas y precisas experiencias que a cada tipo de escurrimiento/ flujo le corresponde un determinado valor de Número de Reynolds (Re). A los fines de la ingeniería, se consideran tres (3) instancias bien definidas: ≤ 2000 FLUJOS LAMINARES NÚMERO DE REYNOLDS 2000 - 4000 ZONA DE FLUJOS INDETERMINADOS > 4000 FLUJOS TURBULENTOS Que el escurrimiento sea laminar o turbulento dependerá fundamentalmente del diámetro de la cañería y de la densidad; viscosidad y velocidad del fluido circulante. El Número de Reynolds puede ser considerado como una relación entre las fuerzas dinámicas del flujo y la tensión de corte debida a la viscosidad del mismo, es decir: D. U. δ D . U Re = ----------- = ------- μ θ Donde: D: Diámetro interior del caño U: Velocidad media de la corriente Δ: Densidad del fluido Μ: Viscosidad dinámica o absoluta del fluido Θ: Viscosidad cinemática del fluido A continuación se indican expresiones prácticas para el cálculo del Número de Reynolds con sus correspondientes unidades. Q . δ Q : Caudal [litros/minuto] Re = 21,22 ----------- ; con δ : Densidad [kg/m3] d . μ μ : Viscosidad dinámica [cP] d : Diámetro interior del caño [mm.] Q . δ Q : Caudal [galones/minuto] Re = 50,6 ------------ ; con δ : Densidad [libras/pie3] d . μ μ : Viscosidad dinámica [cP] d : Diámetro interior del caño [pulg.] 2.12-PERDIDAS DE CARGA DE UNA CORRIENTE LIQUIDA Tal como se ha expresado en el Teorema de Vernoulli, todo escurrimiento de líquidos naturales consume, irreversiblemente, una parte de su energía primaria, no teniendo forma de recuperarla. Por tal causa, la altura de carga total o altura hidrodinámica, en una sección cualquiera de la corriente líquida, debe ser mayor que en todas las secciones situadas aguas debajo de la misma.

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Es decir que, en el escurrimiento de una masa líquida natural se verifica una pérdida de altura, o simplemente una pérdida de energía, en el sentido del escurrimiento. La ecuación genérica que posibilita el cálculo de pérdidas de energía, se puede expresar de la siguiente forma: Δp = hf + ∑ JL

Donde: Δp: Pérdida total de energía, entre dos puntos determinados de la masa fluida hf : Pérdidas de energía debida a la viscosidad y a la fricción con las paredes de la conducción

∑JL: Sumatoria de pérdidas de energía localizadas, debidas a las singularidades propias de la línea/ conducción

Para el caso de Escurrimientos Laminares, las pérdidas de carga vienen dadas por la fórmula de Hagen-Poisseuille, que establece la siguiente relación: μ . L . Q ∆p 40 ----------- D4 Como se puede observar, las pérdidas de carga en flujos laminares resultan directamente proporcionales a la viscosidad absoluta del fluido, a la longitud de la conducción y al caudal circulante e inversamente proporcional a la cuarta potencia del diámetro interno de la conducción. Por lo expuesto resulta claro y visible que las rugosidades de la conducción y el factor de fricción no intervienen en esta determinación. Se indica a continuación una expresión práctica para los cálculos, con sus correspondientes unidades, a saber: μ . L . Q ∆p 7 ------------ D4 Donde: ∆p: Pérdida de carga [ kg / cm2] µ: Viscosidad dinámica o absoluta del fluido [ cP ] L: Longitud de la conducción [ metros] Q: Caudal circulante [ litros/ minuto] D: Diámetro interior de la conducción [ milímetros ] Para el caso de Escurrimientos Turbulentos, y partiendo de las determinaciones de Hagen-Poisseuille, se deducen las fórmulas, verificadas experimentalmente, de Darcy-Weisbach que establece las siguientes relaciones: L . U2 hf = f ---------- D . 2g Donde: Hf: Pérdida de carga f : Coeficiente de fricción o de rozamiento entre fluido y conducción L: Longitud de la conducción U: Velocidad media de la corriente D: Diámetro interior de la conducción g: Aceleración de la gravedad

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A continuación se indica la expresión, generalmente utilizada en los cálculos, de la fórmula de Darcy-Weisbach con sus correspondientes unidades, a saber: f. L . δ . Q2 ∆p 2,3 --------------- D5 Donde: ∆p: Pérdida de carga [ kg./ cm2 ] f : Coeficiente de fricción (adimensional) L: Longitud de la conducción [ metros] δ: Densidad del fluido [ kg / m3] Q: Caudal circulante [ litros / minuto] D: Diámetro interior de la conducción [ milímetros ] Diversas experiencias han demostrado que el coeficiente de fricción depende sólo de dos (2) parámetros, el Número de Reynolds y la rugosidad relativa de la conducción. Número de Reynolds ( Re) f Rugosidad relativa de la conducción ( ξ / D ) Entendiendo por rugosidad (ξ) a la medida del tamaño medio de las proyecciones rugosas del interior de la cañería. 2.13-DIAGRAMA DE MOODY Basándose en teorías matemáticas, experiencias y observaciones de distintos investigadores y científicos, L. F. Moody construyó un diagrama logarítmico en el que se pueden determinar fácilmente los valores del coeficiente de fricción “f”, para cañerías comerciales, en función del número de Reynolds y de la rugosidad relativa de las paredes internas de las mismas. En el diagrama que se muestra en la Figura 17, se pueden observar cuatro (4) zonas características:

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Gráfica de Moody (Valores de fricción para algunos tipos de cañerías comerciales) FIGURA 17 1- La zona de la izquierda, que corresponde a los flujos laminares, en la cual el coeficiente de fricción “f” depende exclusivamente del número de Reynolds; siendo f = 64/Re

2- Una zona denominada crítica en la cual los valores del coeficiente de fricción “f” resultan inciertos ya que aquí los fluidos se comportan como laminares y turbulentos indistintamente. 3- La zona de la derecha, correspondiente ya a flujos del tipo turbulentos en la que se distingue a la izquierda de la misma, una sub-zona denominada también zona de transición o zona de flujos turbulentos viscosos, en esta zona el valor del coeficiente de fricción “f” depende simultáneamente del número de Reynolds y de la rugosidad relativa de las paredes internas de la cañería. 4- La zona de “turbulencia completa – conducciones rugosas”, en la que el valor del coeficiente de fricción “f” es independiente del número de Reynolds, donde la pérdida de presión varía con el cuadrado de la velocidad del fluido. Para el caso de fluidos en turbulencia completa, circulando por conducciones rugosas, los valores de rugosidad relativa del material de la cañería y el correspondiente valor de factor de fricción se definen sencillamente a través del uso de una de las gráficas de Moody, tal como se muestra en la Figura 18.

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Gráfica de Moody (Valores de ξ/D y f para cañerías rugosas y turbulencia completa) FIGURA 18 2.13.1-EJEMPLO DE UTILIZACION DE LAS GRAFICAS DE L. D. MOODY Se requiere determinar la perdida de carga que se produce en una cañería recta de acero comercial de D.N= 2” - Sch. 40, de 300 pies de longitud (91 metros), cuando por ésta circula un caudal de 50 galones/minuto (189 litros/minuto), siendo las características del fluido las siguientes: temperatura= 32 °F, densidad= 67,24 lb/pie3 (1077 kg/m3), viscosidad= 2cP. Determinación del tipo de flujo Según lo visto en el punto 3.3.2.11, se tiene: Q.δ 50 . 67,24 Re = 50,6 ------- = 50,6 --------------- = 41.150 (> 4000 - Flujo turbulento) d.μ 2,067 . 2

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Determinación del coeficiente de fricción De la Figura 18, para una cañería de acero comercial y D.N= 2” ξ / D = 0,0009 De la Figura 17, con Número de Re = 41.150 y ξ / D= 0,0009 f = 0,0245 Determinación de la pérdida de presión Según lo visto en el punto 3.3.2.12, para flujos turbulentos tenemos: f. L . δ . Q2 0,0245 . 91 . 1077 . 1892 ∆p = 2,3 ---------------- = 2,3 --------------------------------- = 0,494 kg/cm2 D5 52,55 2.14-PERDIDAS DE PRESION LOCALIZADAS Las fórmulas que se utilizan para el cálculo de las pérdidas de carga en cañerías por las que circulan fluidos líquidos, consideran siempre una “longitud de caño recto” y “de igual diámetro” en toda su longitud, tal como se ha visto en el punto 3.3.2.12. Por ello, cualquier elemento intercalado en la cañería, que produzca algún cambio tanto en la dirección como en la sección del flujo consumirá, además, una parte adicional de la energía56

A modo de ejemplo podemos graficar lo expuesto diciendo que la inclusión de un codo normal (std.) de 90°, en una línea de D.N.= 4”, producirá una pérdida de carga similar a la pérdida de energía que se genera por la circulación del fluido por un caño recto de 3,36 metros de longitud

portada por el fluido.

57

Lo referenciado en el párrafo anterior nos dice por tanto que; la inclusión de codos, curvas, válvulas, equipos y demás elementos instalados en una cañería perturban el flujo produciendo ello pérdidas de energía

, para igual D.N. de conducción.

58

De las diversas técnicas y métodos existentes

tanto localizadas como adicionales. La cuantificación o valorización “real” de éstas pérdidas de presión localizadas se obtienen únicamente de forma experimental. Como existe una inmensa variedad de elementos posibles de intercalar en una línea llámense válvulas, accesorios, equipos, etc., resulta prácticamente imposible efectuar la cantidad y diversidad de ensayos y pruebas requeridas para obtener los datos exactos de las correspondientes pérdidas de carga sobre dichos elementos. Por ello y debido a la imposibilidad expresada, resulta conveniente determinar una medida o forma de utilización de los limitados datos surgidos de las pruebas y ensayos que resultan disponibles.

59

2.14.1-DETERMINACIONES MEDIANTE EL COEFICIENTE DE RESISTENCIA (K)

, para la obtención de “pérdidas de carga localizadas”, normalmente se utilizan las siguientes:

60: La longitud de cañería equivalente61

56 Debido al aumento de la turbulencia propia del fluido ya que éste, debe realizar un “esfuerzo mayor” para poder transitar por dicho lugar respecto del gasto energético que requiere el pasaje por un tramo recto de cañería. 57 Valor obtenido de la Tabla 24 58 Los términos pérdidas de energía, pérdidas de presión, perdidas de altura o pérdidas de carga suelen utilizarse comúnmente como sinónimos. 59 Todos ellos proporcionan valores aproximados, siendo responsabilidad del proyectista la definición del método mas conveniente de utilización en cada caso en particular. 60 Se lo define como la pérdida de altura de velocidad debido al accesorio, válvula o elemento intercalado en la cañería. 61 Longitud Equivalente (Le): se denomina así a la longitud de cañería en la que se produciría la misma pérdida de energía que en el accesorio, válvula o elemento considerado “para el mismo caudal”.

(Le), se obtiene de considerar la altura de velocidad (V2/2g) y la fórmula de Darcy-Weisbach, por lo que será:

50

Le V2 V2 f ------ x ------ = K ------- D 2 g 2 g Le K x D K = f ------ ; Le = --------- D f Donde: Le: Longitud equivalente f : Coeficiente de fricción D: Diámetro interior de la conducción K: Coeficiente de Resistencia. Estos valores se encuentran tabulados para distintos elementos y accesorios. (Ver Tabla 22)

ELEMENTO / ACCESORIO K Válvula Esclusa

Totalmente Abierta 0,19

Válvula Globo 10,00 Válvula Angulo 5,00

Codo de 90 grados Std. 0,9

Radio Largo 0,6 Valores del coeficiente K TABLA 22 Ejemplo de cálculo para determinar la Longitud Equivalente mediante la utilización del Coeficiente de Resistencia. Suponiendo que la totalidad de pérdidas de carga en una línea de 4” de D.N., por válvulas y accesorios diversos, son tales que la sumatoria de los Coeficientes K resulta igual a 15 y el coeficiente de fricción, correspondiente al tipo de cañería de que se trata, es de 0,020, se pide determinar que longitud equivalente de caño recto corresponde a igual perdida que los elementos/ accesorios indicados. K . D 15 . 4” Le = ---------- = ---------- = 3000” = 76 metros f 0,020 2.14.2-DETERMINACIONES MEDIANTE LA RELACION L / D La relación L/D define a la longitud equivalente, de caño recto y de diámetro constante, que producirán la misma pérdida de presión que el accesorio, válvula o elemento considerado, bajo las mismas condiciones de flujo. Los valores de L/D se mantienen constantes en el rango donde el flujo es completamente turbulento (tal como se puede observar en el gráfico de Moody) A continuación se detallan algunos de los valores de L/D tabulados:

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ELEMENTO / ACCESORIO L / D Válvula Esclusa

Totalmente Abierta 13,00

Válvula Globo 340 Válvula Angulo 145

Codo de 90 grados Std. 30

Radio Largo 20 Valores de la relación L/D TABLA 23 Ejemplo de cálculo para determinar la Longitud Equivalente mediante la utilización de la relación L/D. Sobre una línea de 4” de D.N., y de conocida longitud en sus tramos rectos, deben intercalarse tres codos de 90°, radio largo, y una válvula esclusa que operará totalmente abierta. Se pide determinar la longitud equivalente, en metros lineales de cañería recta, correspondiente a los elementos/ accesorios referenciados. De la observación de la Tabla 23 se deduce: L/D correspondiente a 3 codos de 90°, radio largo = 3 . 20= 60 L/D para una válvula esclusa, totalmente abierta = 1 . 13= 13 L/D (total) = 73 Por lo tanto será: Le = L/D . D.N.= 73 . 4” = 292” = 7,417 metros 2.15-CÁLCULO DE LA RELACION “L/D” EN FLUJOS LAMINARES La determinación del valor de L/D para flujos laminares, se realiza mediante una relación empírica entre la longitud equivalente en la relación de flujo laminar y la que se determina en la región para flujos turbulentos Re

(L / D) Laminar = --------- X (L / D) Turbulento

1000

52

Pérdidas de Carga por Fricción – Lequivalente [metros] (Valores para líneas de acero comercial y flujo turbulento) TABLA 24 Resulta muy útil para el proyectista minimizar, entre otros, los tiempos de cálculo por ello Tablas como la 24 (existentes en la bibliografía que se utiliza para los estudios de la hidráulica) permiten realizar rápidas determinaciones respecto de las pérdidas de carga y longitudes equivalentes de importante cantidad de elementos.

53

2.16-CONSIDERACIONES PARTICULARES PARA UN FLUIDO TIPICO: AGUA 2.16.1-PERDIDAS DE CARGA En los problemas de dimensionamiento de cañerías, que se presentan en la práctica, normalmente se hallan definido alguno de los parámetros fundamentales quedando para el cálculo los restantes elementos que la definen como unidad funcional orgánica. Puede conocerse, por ejemplo, el caudal e ignorarse el diámetro mas conveniente junto a las pérdidas de carga o bien pueden estar clarificados el diámetro y la perdida de carga quedando por hallar el caudal, etc. En todos los casos será el ingeniero calculista, proyectista o profesional idóneo quien se deberá abocar a discernir entre los resultados de diferentes cálculos, la solución mas adecuada para cada caso. Para el cálculo se dispone de expresiones que provienen del estudio de la mecánica de los fluidos (Darcy-Weisbach) y fórmulas empíricas (Hazen-Williams; Saph-Schoder; etc.) desarrolladas y comprobadas a través de múltiples ensayos y experiencias. Por otro lado y para facilitar las determinaciones, se han diseñado y construido tablas, gráficos y ábacos con valores numéricos de diámetros, caudales, velocidades, pérdidas de carga, etc.. Ello no invalida ni excluye la necesaria realización de cálculos y diseños de alternativas hasta llegar a un resultado óptimo, el que deberá contemplar como mínimo los siguientes aspectos: costo de la instalación, de funcionamiento, mantenimiento operativo y de la necesaria conservación de energía. La fórmula de Darcy-Weisbach, vista en los puntos precedentes, puede ser aplicada para el cálculo de cañerías por las que circule cualquier tipo de líquidos en flujo permanente. En el caso particular del agua, cuya viscosidad varía muy poco en condiciones normales de temperatura, se pueden emplear fórmulas empíricas como las que se detallan a continuación: Formula de Hazen-Williams Q 1,85

∆p = 4,52 ---------------- C 1,85 . d 4,87

Donde: ∆p: Pérdida de presión [lbs./pulg.2] (por pie de longitud de cañería) Q: Caudal [galones/minuto] D: Diámetro interior de la cañería [pulgadas] C: Coeficiente tabulado para diversos materiales de cañerías

MATERIAL DE LA CAÑERIA C

Fundición de Hierro 100 Aceros Comerciales 120 Aceros Galvanizados 120

Plásticos 150 Cobre 150

Valores del coeficiente C (adimensionales) según Hazen-Williams TABLA 25

54

Formula de Saph-Schoder Q 1,86

∆p = -------------- 14,35 . d 5

Donde: ∆p: Pérdida de presión [lbs./pulg.2] (por cada 100 pies de longitud de cañería recta) Q: Caudal [galones/minuto] D: Diámetro interior de la cañería [pulgadas] Resulta fundamental para el proyectista tener presente que las fórmulas vistas, junto a otras disponibles, son acreedoras de una importante desviación respecto del valor exacto de pérdidas que se originan en la práctica por ello la importancia de su conocimiento para de esta forma adoptar coeficientes de seguridad en las determinaciones que aseguren el correcto diseño y funcionamiento de la línea. Para cuantificar las variaciones referidas se mostrará a continuación los resultados que se obtienen, utilizando diversas fórmulas, para la determinación de la pérdida de carga (hf ) en metros (m.c.a.) que se origina en una corriente de agua que circula por una cañería de hierro galvanizado de 50 milímetros de diámetro y 100 metros de longitud, con un caudal de 2 litros por segundo62

La fórmula indicada a continuación, tomada del Manual Universal de la Técnica Mecánica

, a saber: Darcy: hf = 6,35 Flamant: hf = 4,00 Williams-Hazen: hf = 4,65 Darcy-Weisbach: hf = 2,90 Scobey: hf = 2,83 2.16.2-CAUDALES DE CIRCULACIÓN La cantidad de agua capaz de circular por una cañería depende fundamentalmente de cuatro parámetros, a saber: -Carga o altura de presión disponible o a suministrar -Diámetro interior de la cañería -Estado (rugosidad) del interior de la conducción -Cantidad y tipo de accesorios, válvulas y demás elementos que conforman el sistema a dimensionar Resulta importante recalcar que todas las fórmulas utilizadas para calcular la cantidad de agua capaz de circular por una cañería, al igual a lo que se ha visto respecto del cálculo de las pérdidas de carga, son siempre aproximadas.

63

62 Ejemplo y datos tomados del Manual de Hidráulica y Máquinas Hidráulicas del Ing. David N. J. Stevenazzi- Tercera Edición 63 Erik Oberg y F. D. Jones – Reimpresión 8va. - Tomo 2 - Manual Universal de la Técnica Mecánica

, dará resultados que podrán diferir del valor exacto en no mas del 10 % (tal como se expresa en el referido Manual) si se generan líneas racionales con una aceptable conservación de su estado, a saber:

55

h . D V = C ------------- L + 54 D Donde: V: Velocidad media del fluido [metros/segundo] H: Altura de carga [metros] D: Diámetro de la cañería [metros] L: Longitud total de cálculo de la cañería [metros] 64

DIAMETRO DE LA CONDUCCION

C: Coeficiente tabulado [metros]

C DIAMETRO DE LA

CONDUCCION C [metros] [metros]

0,03 12,70 0,24 25,39 0,06 16,55 0,27 26,00 0,09 18,75 0,30 26,50 0,12 20,40 0,45 29,25 0,15 21,50 0,60 31,49 0,18 23,18 0,76 33,12 0,21 24,28 0,91 34,22

Valores del coeficiente C para diversos diámetros interiores de conducciones TABLA 26 Con los valores de la velocidad del fluido así obtenidos se pueden calcular posteriormente los caudales de circulación recordando que: Q = V . Sección 2.17-VELOCIDADES OPTIMAS DE DESPLAZAMIENTO DE LOS FLUIDOS Para la circulación de agua en cañerías de acero comercial, la velocidad recomendada oscila desde los 0,50 y los 2,00 metros/segundo, considerando recomendable las velocidades más bajas para: Circulación en diámetros pequeños (D.N. = 1/2” a 1”) Para líneas de aspiración en equipos de bombeo. Por otro lado, y particularmente para el caso de los equipos de bombeo de agua limpia65

64 Debe considerarse la sumatoria de metros lineales de caño recto mas los metros lineales resultantes del cálculo de la longitud equivalente por accesorios, válvulas y demás elementos existentes en la línea. 65 Se refiere a un fluido con mínimo contenido de partículas en suspensión.

, existen relaciones empíricas formuladas para determinar las velocidades óptimas, a saber:

56

1 d Líneas de aspiración de bombas V = ------- ----- + 4 3 2 d Líneas de impulsión de bombas V = ------- + 4 2 Donde: V: Velocidad óptima [pies/segundo] D: Diámetro nominal de la cañería [pulgadas] 2.18-CRITERIOS PRINCIPALES PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE CAÑERÍAS En general pueden considerarse dos criterios diferentes para el dimensionamiento de cañerías. Ellos se basan principalmente en la consideración de los siguientes parámetros: -Valorización de las pérdidas de carga -Velocidades óptimas de circulación del fluido En el primer caso, y definida una determinada condición de flujo se estudian, calculan y definen varios diámetros de cañerías con las correspondientes pérdidas de energía que se produce para cada una de ellos. Los valores así obtenidos posteriormente se analizan teniendo en cuenta fundamentalmente la relación entre pérdidas de energía esperadas frente a los costos de: materiales involucrados, de su montaje e instalación como así también de los costos operativos y de mantenimiento requeridos. Este criterio suele tener gran aplicación en instalaciones con cañerías de importante longitud, donde resulte prioritario maximizar la conservación de energía66

66 Entiéndase por ello a la búsqueda de aquel diámetro de cañería que minimice las pérdidas de carga o pérdidas de energía originadas por fricción en la circulación del fluido.

. El segundo criterio, el referido a las velocidades óptimas de circulación del fluido, suele aplicarse en la mayoría de casos de instalaciones de pequeña y mediana longitud, donde las pérdidas de carga no resultan ser un factor gravitante y sí lo es la velocidad de circulación del fluido.

57

3-SISTEMAS DE ENERGIZACION DE LOS FLUIDOS 3.1-INTRODUCCION Cuando se expresa el término “Energización” se lo hace desde el punto de vista de dotar al fluido de la energía necesaria que le permita a éste movilizarse de un punto a otro en una determinada instalación o proceso. Podemos expresar que existen dos alternativas principales mediante las cuales se logra la energización de un fluido, a saber: MEDIOS NATURALES (Gravedad): Se da cuando los puntos de inicio y fin del traslado del fluido se hallan con alguna diferencia positiva de altura. En estos casos se aprovecha la energía potencial del líquido para lograr con ella la movilidad del mismo. POR MEDIO DE EQUIPOS DE BOMBEO: Con estos equipos se logra la viabilidad del transporte o movimiento de masas líquidas entre dos puntos racionales cualesquiera que éstos resulten, sin importar en estos casos las posiciones en altura de los puntos de partida ni llegada del fluido. Se tratará a continuación particularmente lo concerniente a la energización de fluidos mediante la utilización de equipos de bombeo, tanto para procesos como para servicios. Estos equipos pueden agruparse/clasificarse en dos grandes grupos: CENTRIFUGOS EQUIPOS DE BOMBEO DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Estos equipos normalmente pueden ser accionados mediante diversos sistemas de motorización destacándose entre los más utilizados a los motores eléctricos (electrobombas), con los que se posibilita, entre otros, la movilidad del fluido a través de un intercambio energético67

Son los equipos comúnmente utilizados en la mayoría de las instalaciones para el bombeo y consecuente desplazamiento de líquidos. Estos equipos se emplean para movilizar tanto a pequeños como grandes caudales

. 3.2-BOMBAS CENTRÍFUGAS

68

67 Este intercambio de energías se refiere a: Fuerza Electromotriz de Red Vs. Energía de Presión. 68 Desde caudales menores a 1 m3/h hasta algunos de varios miles de m3/h.

. Estos equipos tienen la particularidad de impartirle velocidad al fluido a través de la fuerza centrífuga generada en su interior mientras éste pasa a través de las paletas del rodete o impulsor. Las bombas centrífugas, en definitiva, son equipos mecánicos de una simple configuración y con pocos elementos constitutivos, destacándose entre ellos el rodete o impulsor, el cuerpo y las bocas de aspiración e impulsión, según se muestra en la Figura 19. Los impulsores pueden ser cerrados o abiertos utilizándose los primeros para líquidos limpios y para líquidos con materiales en suspensión los otros. El cuerpo de las bombas, en general, son de diseño partido. Vertical para equipos de pequeño y mediano tamaño y con diseño partido horizontal para los de gran porte ya que éstos permiten importantes ventajas en la apertura de los mismos, tanto para su inspección como para su mantenimiento.

58

Esquema de una Bomba Centrífuga FIGURA 19 Otra característica importante de este tipo de equipos de bombeo es que permite, para el caso en que se requiera importantes alturas de elevación de los fluidos, construcciones con mas de una etapa69

Esquema de una Bomba Centrífuga Multietapa de 5 rodetes FIGURA 20

. Como ejemplo podemos citar a los equipos que normalmente se utilizan en instalaciones para alimentación de calderas, en recirculación de pinturas, etc. (Ver Figura 20)

69 Estos equipos se denominan también como Multietapa, Multicelular o Multiestadio y poseen mas de un rodete o impulsor los que interactúan con el fluido tal como si fueran equipos instalados en serie.

59

En cuanto a la posición física de los mismos, referenciándolos respecto del eje motor, las bombas centrífugas se construyen tanto con diseño horizontal como con diseño vertical. Esta accesible dualidad, en la geometría del sistema de bombeo, permite resolver de forma sencilla y económica diferentes particularidades en diversas instalaciones y o procesos. (Ver Figura 21)

Bombas Centrífugas de diseño Horizontal y Vertical FIGURA 21 3.2.1-VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS BOMBAS CENTRIFUGAS Se pueden señalar, entre las principales ventajas que ofrece este tipo de equipos, a las siguientes:

Construcción simple, con el impulsor como la única parte móvil. Funcionamiento adecuado tanto impulsando líquidos limpios como líquidos sucios70

Operación suave y sin vibraciones Servicio confiable y de bajo costo de mantenimiento Conexión directa a los motores eléctricos que las accionan Construcciones de los mas variados tamaños, materiales y prestaciones de operación

En cuanto a las desventajas podemos sintetizarlas en dos grandes ítems:

Presiones de funcionamiento limitadas

Importantes restricciones para el caso de bombeo de fluidos de alta viscosidad 3.2.2-DIVERSOS TIPOS DE EQUIPOS - MATERIALES CONSTITUTIVOS En la actualidad se construye y comercializa una importante diversidad de equipos de bombeo centrífugos siendo que cada uno de estos diseños responde o se acomoda particularmente para dar respuesta a diversas características o exigencias que requiere cada servicio y/ o uso, a costos adecuados.

70 Debe entenderse así a todos aquellos fluidos con elementos sólidos (relativamente grandes o bien del tipo abrasivos) en suspensión.

VEN

TA

JAS

DE

SVEN

TA

JAS

60

Se puede hacer una gran primer diferenciación para estos equipos de bombeo señalando diferencias respecto tanto al tipo de flujo que generan en su funcionamiento como en el tipo de servicio en el que se los utiliza, a saber: Radial: El fluido sale sobre un plano perpendicular al eje motor TIPO DE FLUJO71

Sumergibles De motor sumergido Autocebantes De pozo profundo Trituradoras (para aguas sucias y barrosas) TIPO DE SERVICIO5 Coacales Autoaspirantes (bombeo de líquidos volátiles y gases) De vacío (aspiración de gases) Sanitarias Dosificadoras Otras

Axial: El fluido sale en espiral en cilindros coaxiales según la dirección del eje motor Mixto: El fluido sale con velocidad que posee componentes radiales y axiales

Respecto del tipo de materiales que se utilizan para la construcción de estos equipos, especialmente en lo referente a cuerpos y rodetes, podemos señalar a los siguientes: fundiciones de hierro, aceros fundidos, aceros inoxidables y diversos plásticos de ingeniería72

Presión - altura de descarga Vs. caudal impulsado (H)

Rendimiento (η) CURVAS CARACTERISTICAS

Potencia absorbida por el eje del impulsor (N)

. Los materiales a utilizar en estos equipos se deben definir y seleccionar con el propósito de dotar a los mismos de estructuras básicas, en cuanto al tipo y calidad de materiales, que le permitan lograr un correcto desempeño en el proceso en el que deberán intervenir previendo además satisfacer la durabilidad y tipo de prestación esperada. 3.2.3-CURVAS CARACTERÍSTICAS La representación de las características particulares de las bombas centrífugas se realiza preferentemente con curvas, las que son graficadas por los distintos fabricantes a través de mediciones y pruebas con los equipos de bombeo sobre “bancos de ensayo”, lugar éste donde se generan los valores referenciados. Con una bomba centrífuga, de proceso-típica, operando en un banco de ensayo a velocidad constante y con un determinado diámetro de impulsor, se pueden obtener las siguientes curvas características, a saber:

Altura Neta Positiva de Aspiración73

71 A su vez, la mayoría de estos equipos de bombeo, pueden ser también de una o mas etapas. 72 Denominación dada a diversos materiales como ser: Polietileno, Poliamida, Polipropileno, PTFE (teflon) y otros. 73 A.N.P.A.: Ver definición en el punto 3.3.2.7

(A.N.P.A.) Para un pronto y sencillo análisis e interpretación de las Curvas Características, se las suele graficar mediante “escalas” adecuadas de forma tal que todas ellas puedan ser representadas sobre un mismo par de ejes ortogonales. (Ver Figura 22)

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A.N.P.A. N η H H Curva de fricción de la línea74

η Punto de funcionamiento del sistema

75

N A.N.P.A. Q Curvas Características de una Bomba Centrífuga FIGURA 22 Estas curvas permiten formular algunas conclusiones interesantes como ser: la potencia absorbida (N) crece en forma continua y linealmente con el caudal (Q), mientras la curva del rendimiento (η) parte de cero, pasa por un máximo y vuelve a descender. La intersección de la curva Q-H y la curva de fricción de la línea determinan el llamado “Punto de Funcionamiento del Sistema”. Este punto, en la práctica, debiera a la vez ubicarse en la vecindad del máximo rendimiento del equipo de bombeo, maximizando con ello las prestaciones del mismo. La curva de fricción del sistema varía aproximadamente con el cuadrado del caudal. 3.2.4-COLUMNAS ESTATICAS En las diversas alternativas y posibilidades de posicionamiento y montaje de una electrobomba centrífuga, generalmente se define a la Columna Estática como la altura de la columna de líquido que actúa sobre la bomba expresándose ésta siempre en metros de columna de líquido. En la Figura 23 se muestran las tres formas mas comunes de instalación y a la vez se definen los términos comúnmente utilizados para cada una de las componentes de estas columnas.

74 También denominada como Curva de Fricción del Sistema. Esta curva, propia de la configuración de la línea en cuanto a su longitud, componentes y estado particular de los mismos, no resulta común graficarla ya que ello poco contribuiría a los estudios requeridos para la determinación de los equipos de bombeo. Lo que si calcula, con la mayor precisión posible, son los valores de H y Q necesarios para que el fluido pueda ser conducido llegando al punto de abastecimiento con las características y condiciones de flujo requeridas por el proceso. Con dichos valores de H y Q, calculados matemáticamente, se podrá seleccionar luego el equipo de bombeo mas adecuado. 75 Denominado también como punto de funcionamiento

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a= Columnas estáticas de succión (aspiración) b= Columnas estáticas de descarga (impulsión) c= Columnas estáticas totales Columnas Estáticas en diversas instalaciones de bombeo FIGURA 23 3.2.5-OPERACIÓN CON EQUIPOS DE BOMBEO EN PARALELO Y EN SERIE Resulta a veces que los requerimientos de caudal y o de presión necesarios en un determinado proceso no pueden ser satisfechos con la utilización de un único equipo de bombeo. En estos casos puede operarse con dos o mas equipos instalados en paralelo y o en serie en función de los parámetros necesarios a alcanzar. Para especificar correctamente los parámetros de los equipos de bombeo, necesarios para dar respuesta a la necesidad de un determinado proceso, deberá considerarse en cada caso la curva del sistema propuesto siendo que para equipos en paralelo el comportamiento final de los mismos se obtiene agregando las capacidades para la misma columna de líquido. Cuando los equipos de bombeo operan instalados en serie, el comportamiento final se obtiene agregando las columnas de líquido a la misma capacidad. En las Figuras 24 y 25 se grafican, para dos equipos de bombeo76, estas dos alternativas de operación comúnmente utilizadas en diversos procesos e instalaciones industriales.

Funcionamiento de Equipos en Paralelo FIGURA 24 76 A los efectos de simplificar la explicación y entendimiento de las curvas, tanto de las originales como de las finalmente resultantes, se deberá interpretar o bien acordar que los equipos de bombeo B1 y B2 son idénticos en cuanto a sus prestaciones y que las curvas particulares se dibujan sin superposición al simple efecto de visualizarlas mejor.

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Funcionamiento de Equipos en Serie FIGURA 25 3.2.6-DATOS NECESARIOS PARA LA SELECCIÓN DE UNA ELECTROBOMBA CENTRÍFUGA A continuación se definen los parámetros de fundamental importancia a tener en cuenta al momento del diseño, selección, compra e instalación de un equipo de bombeo, a saber: CANTIDAD DE EQUIPOS NECESARIOS NATURALEZA DEL FLUIDO A BOMBEAR Agua dulce o salada, líquidos ácidos o alcalinos, aceites, naftas, gas-oil, etc. Temperatura del fluido Peso específico Viscosidad Composición química Estado o tipo de Líquido (limpio o con sólidos en suspensión) CAUDALES MÁXIMOS Y MINIMOS A SUMINISTRAR CONDICIONES DE ASPIRACION/SUCCION Altura de succión Longitud y diámetro de la cañería de succión CONDICIONES DE DESCARGA Presión necesaria en la descarga Altura de carga correspondiente a la fricción del sistema TIPO DE SERVICIO Continuo o intermitente POSICIÓN Y MONTAJE REQUERIDO PARA LA BOMBA Horizontal Vertical (de pozo húmedo o pozo seco) FUERZA ELECTROMOTRIZ -REQUERIDA Y DISPONIBLE- PARA EL ACCIONAMIENTO DEL EQUIPO INSTALACIÓN A INTEMPERIE O BAJO CUBIERTA EQUIPOS STD. O ANTIEXPLOSIVO DIMENSIONES GENERALES DEL EQUIPO Limitaciones de espacio Distancias entre centros de las bridas de aspiración, impulsión y entrecentros de anclajes Certificación de dimensiones por el proveedor PESO Y VOLUMEN DE EQUIPOS PARA EL ADECUADO MANEJO DE LOS MISMOS OBRAS CIVILES Y TIPO DE ANCLAJES REQUERIDOS PARA LA SUJECCION DE EQUIPOS NECESIDADES a; b; c; etc. PARTICULARES Y/O EXCLUSIVOS DE UN DETERMINADO PROCESO La indefinición, equívoco, desconocimiento o falta de previsión de cualesquiera de los ítems descriptos resultará seguramente un impedimento insalvable para lograr una correcta selección del equipo de bombeo requerido.

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3.2.7-ALTURA NETA POSITIVA DE ASPIRACIÓN (A.N.P.A.) La altura neta positiva de aspiración, también definida como N.P.S.H. (Net Positive Suction Head), es una Energía de Presión, normalmente definida en metros de columna de agua, que define una de las condiciones básicas requeridas en toda boca de succión de una bomba centrífuga para que ésta pueda desarrollar un adecuado funcionamiento. Como es de prever, tanto el equipo de bombeo como la instalación donde éste deba ser utilizado, poseen una importante relación entre sí resultando que para ambos se define una A.N.P.A. diferente, a saber: EL EQUIPO DE BOMBEO (A.N.P.A. REQUERIDA) Poseen A.N.P.A. LA INSTALACION (A.N.P.A. DISPONIBLE) La A.N.P.A. del equipo de bombeo o A.N.P.A. requerida depende fundamentalmente, entre otras, de los efectos que produce las características geométricas de la bomba centrífuga y como así también del caudal de bombeo. El valor exacto de esta componente energética la obtiene y explicita el fabricante de la bomba, para cada equipo, a través de la realización de diferentes pruebas de funcionamiento de los mismos en apropiados bancos de ensayo. Se puede afirmar que el valor de ésta energía de presión resulta condicionada por:

1- VELOCIDAD DE ROTACION DEL RODETE IMPULSOR 2- GEOMETRIA INTERNA DEL RODETE IMPULSOR

A.N.P.A. DEL EQUIPO DE BOMBEO 3-CAIDA DE PRESION QUE SE PRODUCE EN EL EQUIPO Depende de: DE BOMBEO ENTRE LA BRIDA DE SUCCION Y EL INGRESO

DEL FLUIDO AL RODETE IMPULSOR 4-CAUDAL DE BOMBEO

La A.N.P.A. de la instalación, o A.N.P.A. disponible (Altura Neta Positiva de Aspiración aprovechable de un sistema), es una componente energética que se calcula mediante la siguiente fórmula, de acuerdo a lo graficado en la Figura 26: Esquema ilustrativo de la A.N.P.A. aprovechable de un sistema FIGURA 26

.

65

N.P.S.H. disponible = Hp + Hz – Hf – Hpv [m.c.a/ bar] Donde: N.P.S.H. disponible: A.N.P.A. aprovechable del sistema Hp: Presión absoluta sobre la superficie del líquido (de donde succiona la bomba) Hz: Elevación estática del líquido sobre la línea de centro de aspiración de la bomba77

Hpv: Valor de la presión de vaporización del fluido (absoluta) a la temperatura de trabajo

Hf: Pérdida de presión por fricción en la cañería de succión

78

Si la condición de alturas explicitadas en la ecuación referida no se cumplieran, se producirá en la instalación, sin lugar a dudas, la aparición del fenómeno de Cavitación

Resultará imprescindible, para obtener un correcto funcionamiento de los equipos de bombeo, que se cumpla con la siguiente condición: N.P.S.H. disponible en la Instalación ≥ A.N.P.A. requerida por la BOMBA

79

77 Si el nivel del líquido está debajo de la bomba, Hz tomará un valor negativo 78 Valores de Hpv para el agua (en condiciones atmosféricas a nivel del mar):

Temp. [°C] Presión de Vaporización [bar] 20 0,023 100 1,013

79 Cavitación: Término que implica la existencia de un proceso dinámico de formación de burbujas en el líquido, su posterior crecimiento y subsecuente colapso a medida que el fluido circula a través de la bomba. Estos sucesos, que ocurren en la masa líquida aspirada, generan un efecto de vibraciones y golpeteo en los internos del rodete que de no ser subsanados pueden llevar rápidamente a la rotura del equipo.

. 3.2.8-CURVAS UTILIZADAS PARA LA SELECCIÓN DE EQUIPOS DE BOMBEO Una vez conocido los valores de H y Q, entre otros, requeridos por una dada instalación se podrá entonces definir y seleccionar el equipo de bombeo mas adecuado. Para ello es importante entender y observar que cada fabricante de equipos diseña y produce tan solo una determinada cantidad de “tipo” de equipos como así también de “modelos” de los mismos con el objeto de proveer o bien atender con ellos a un determinado sector del mercado. Entendido lo recién enunciado podemos decir que existen dos diferentes gráficas con curvas características para definir y seleccionar equipos de bombeo. Una de ellas nos definirá lo que normalmente se define con el nombre del “modelo de bomba”. Supongamos que se necesita seleccionar una electrobomba centrífuga, tipo radial, 1450 r.p.m. de Marca XX, que satisfaga los valores de H y Q siguientes: H = 80 m.c.a; Q = 90 m3/h – Ver “Modelo 65-250” (ver Figura 27) H = 25 m.c.a; Q = 50 m3/h – Ver “Modelo 50-125” (ver Figura 27)

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Electrobombas Centrífugas Radiales Marca “ XX ” Curvas para selección de Modelos a 1450 r.p.m. FIGURA 27 Como se puede observar en la figura 27, la gráfica propuesta por un determinado fabricante de equipos (marca XX) muestra que con 25 “modelos diferentes” de este tipo de electrobomba, en este caso de 1450 r.p.m., puede proporcionar un abanico de caudales y presiones para los mas diversos usos. Esto resulta posible partiendo de un mismo cuerpo de bomba e impulsor (rodete). Es a este último al que se le practican diferentes tipos de maquinados internos, manteniendo el ancho original, modificando fundamentalmente los diámetros de ingreso y egreso del fluido. Una vez seleccionado el “Modelo” mas conveniente podemos acceder a las “Curvas Particulares” de dichos equipos con el objeto de definir con precisión las restantes características del equipo de bombeo mas adecuado a utilizar en el proyecto. 3.2.8.1-EJEMPLO DE SELECCIÓN DE EQUIPOS Una vez definido el “Modelo” de electrobomba elegido, nos resta observar y analizar las restantes características del equipo en cuestión. Ello será posible accediendo a las llamadas “Curvas Características” del equipo, las que son diseñadas, construidas y aportadas por el fabricante de las mismas. Para ejemplificar un caso en particular diremos: supongamos que para una determinada línea de bombeo se necesita utilizar una electrobomba, tipo vertical sumergible de pozo profundo, capaz de ofrecer las siguientes características: H = 20 m.c.a; Q = 360 m3/h (Ver Figura 28)

67

Electrobombas Centrífugas Verticales de Pozo Profundo Marca “ YY ” Curvas Características FIGURA 28 Observando la Figura 28 se pueden apreciar, entre otras las siguientes cuestiones: Este Modelo de electrobomba B16-YY permite alcanzar, partiendo del caudal dado como dato de 360 m3/h, distintas alturas manométricas o presiones, utilizando diferentes diámetros en su impulsor de 40mm.de espesor (desde 12,5m hasta un poco mas de 30m). Para el caso estudiado el diámetro de impulsor requerido para obtener una presión de 20 m (m.c.a.) es el de 276/26780

La potencia requerida para el accionamiento del equipo seleccionado es de 26 kW

mm. Los valores de rendimiento del equipo de bombeo seleccionado, para satisfacer los datos del ejemplo, es intermedio a las curvas correspondientes al 76% y 78%. La altura neta positiva de aspiración (A.N.P.A. - N.P.S.H.) de la bomba seleccionada es de 5m.

81

80 Las dimensiones 276/267 que se observa para el diámetro de impulsor seleccionado, como en los restantes, responde a un maquinado en chanfle que se practica, sobre el diámetro exterior, al espesor frontal del rodete de cada una de las paletas del mismo, geometría común en rodetes de bombas de este tipo. 81 Equivalencia de unidades de potencia 0,7355 kW = 1 H.P.

(35,35 H.P)

68

3.2.9-BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Estas bombas, a diferencia de las bombas centrífugas, producen un flujo de tipo pulsátil o periódico. Su mayor ventaja reside en poder impulsar cualquier tipo de líquido independientemente de la viscosidad del mismo. 3.2.9.1-PRINCIPIO BASICO DE OPERACIÓN Estos equipos, del lado de la brida (boca) de aspiración, generan en su funcionamiento una cavidad que continuamente modifica su volumen permitiendo ello que pequeñas masas del fluido se puedan desplazar internamente hasta la cavidad de salida, ubicada del lado de la brida (boca) de impulsión. Estos equipos no pueden operarse contra una válvula cerrada en el lado de la descarga de la bomba tal como lo puede materializar una bomba centrífuga en la que sí se puede lograr el total resbalamiento de las partículas del fluido a expensas de intercambiar energía de presión por energía térmica en el fluido. Si a una bomba de desplazamiento positivo se la hiciera operar contra una válvula cerrada en la descarga, el equipo igualmente seguiría impulsando fluido en la cañería aumentando la presión del mismo hasta que en algún elemento de la línea se produzca un colapso y rotura, dañando severamente a la instalación de bombeo. Un ejemplo del funcionamiento de estos equipos, para una bomba del tipo rotativa de tres lóbulos, puede graficarse tal se observa en la Figura 29.

Esquema de pasos y funcionamiento de una bomba rotativa FIGURA 29 Es fácil observar que las bombas de desplazamiento positivo, al contrario de las bombas centrífugas, producirán un mismo caudal para una determinada velocidad de rotación del equipo (RPM) no importando cual sea la presión de descarga del fluido. Las bombas de desplazamiento positivo pueden clasificarse en dos grandes grupos, a saber: * Bombas Recíprocas Este tipo de equipos opera mediante pistones, émbolos o diafragmas movidos alternativamente en cilindros o cámaras: -A Diafragma -Rotatoria a Pistón -De Acción Directa -De Potencia *Bombas Rotativas Estos equipos se caracterizan por impulsar a los líquidos “empujando” a los mismos al igual que los equipos alternativos, denominándose también por este motivo de desplazamiento positivo. -A Engranajes -De Alabes -A Tornillo -De Lóbulos

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3.2.10-COMPARACIÓN DE EFICIENCIA Vs. VISCOSIDAD DE LOS FLUIDOS Si se compara el rendimiento o prestaciones capaces de brindar tanto por una bomba centrífuga como por una bomba de desplazamiento positivo, para fluidos de diversa viscosidad, se podrían observar las notables diferencias graficadas en la Figura 30. H H µ baja µ alta µ alta µ baja Q BOMBAS CENTRIFUGAS BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Curvas Q & H para Bombas Centrífugas y para Bombas de Desplazamiento Positivo FIGURA 30 Tal como se observa en la Figura 30, las bombas de desplazamiento positivo proporcionan un caudal (flujo) casi constante sobre un amplio rango de elevación de la presión, mientras que las bombas centrífugas generan presiones bastante uniformes sobre un amplio rango de caudales (flujos). De igual forma, puede fácilmente observarse las diferencias notables entre equipos, en curvas Q & H, en función del efecto de la viscosidad del fluido a impulsar.

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3.3- MANEJO DEL AIRE COMPRIMIDO 3.3.1- INTRODUCCION La industria moderna utiliza cada vez más instalaciones de aire comprimido para dar alimentación a diversos usos, herramentales y o procesos productivos tales como herramientas neumáticas, control de instrumentos y equipos, accionamiento de cilindros neumáticos, desplazamiento de cargas mediante colchones de aire, etc. Por otra parte podemos asegurar que de los servicios por red que se utilizan en la mayoría de las plantas industriales, el aire comprimido es sin dudas uno de los “mas costosos”, por ello su conocimiento, estudio y la correcta definición del equipamiento a utilizar permitirá al ingeniero de planta asegurar un manejo y operación de las instalaciones de este tipo particular de fluido, con la máxima eficiencia y eficacia. En este tratado se hará referencia únicamente al “tipo de instalaciones de aire comprimido” que normalmente se utilizan en casi toda planta industrial de mediana o gran magnitud, a los efectos de no quedar circunscriptos para el desarrollo del tema, a la problemática que puede resolverse mediante la utilización de un único y compacto equipo de generación, almacenaje y dispense de este fluido82

Presión de la Red AIRE COMPRIMIDO Caudales de Consumo -Parámetros Fundamentales-

Calidad del Fluido 3.3.2.1- La Presión de la Red normal (nominal) que se utiliza en la mayoría de las plantas industriales es de 7 bar por ello, salvo en instalaciones particulares donde la presión nominal difiera de este valor, dicho parámetro resulta de sencilla determinación. Por otra parte, la mayoría del herramental y elementos accionados neumáticamente se diseña para una presión nominal de 6 bar.

. 3.3.2- CUALIDADES REQUERIDAS Resulta de primordial importancia, previo a la definición del tipo de sistema o máquina compresora a utilizar, “conocer” o bien “definir” los parámetros fundamentales requeridos del aire comprimido para los procesos en los que éste deba intervenir. Estos parámetros son los siguientes:

3.3.2.2-Los Caudales de Consumo necesarios o requeridos por la instalación a diseñar o construir, para satisfacer los procesos productivos, deben calcularse con la mayor precisión posible sin dejar de considerar o prever una determinada flexibilidad83

Resultará imprescindible en primer instancia, para cuantificar los volúmenes o caudales requeridos, conocer con precisión los caudales parciales de cada uno de los elementos, máquinas, herramentales y o dispositivos que consumirán este tipo de fluido en la planta y además se necesitará definir los “factores de uso y de simultaneidad

en los mismos, ya que no resulta sencillo ni mucho menos económico “practicar ampliaciones de la red de producción de aire comprimido” una vez finalizadas las instalaciones que nos proveerán de este fluido.

84” que se tengan para la totalidad de consumos de aire comprimido que resulten necesarios en los procesos y operaciones a desarrollar en la planta. Por otra parte, y como complemento de lo antes explicitado, también deberá tenerse en cuenta los volúmenes de fluido requeridos para “llenar el sistema” por primera vez85

82 A los efectos de ejemplificar este punto diremos que la instalación típica de aire comprimido que se utiliza en una “gomería” o en un “taller mecánico”, resueltos simplemente con la utilización de un equipo motocompresor portátil, no forma parte de este tratado. 83 Se entenderá como flexibilidad, en este caso, a la consideración del posible incremento que pueda requerirse en la producción de este servicio, prevista para determinado período de tiempo. 84 Coeficiente o factor de uso y de simultaneidad: Ver punto 3.3.4.3.3.4.1.

, permitiendo ésto definir con que anticipo de tiempo

85 El servicio de aprovisionamiento de aire comprimido, una vez finalizados los horarios de producción y o mantenimiento de la planta industrial en los que se lo utiliza, al igual que con los servicios de iluminación, calefacción y otros, se discontinúa a los efectos de minimizar costos. En las redes troncales y secundarias de distribución de este fluido, una vez interrumpida la generación/ aprovisionamiento, la presión de red se pierde

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se deberá poner en servicio al sistema de generación de aire comprimido previo al inicio de las tareas de producción (en caso de no tratarse de procesos continuos) en cada jornada laboral. Las fugas de fluido requieren de una particular atención debido a que la falta de control y reparación de uniones entre cañerías, accesorios, conectores, pinchadura en mangueras, etc. pueden representar un consumo extra de aproximadamente entre un 5% y un 10% del promedio general de consumo, cifra que está influida por la extensión de la red. Por esto, las fugas deben merecer una pronta acción correctiva a medida que se vayan produciendo los escapes evitando las “pérdidas de energía” que esta situación representa. Es sumamente importante recalcar que el hecho de que preventivamente se tenga en cuenta la existencia de fugas al dimensionar el sistema de generación ello “no significa su aceptación incondicional” Con los datos explicitados se podrá definir entonces el tamaño y cantidad de máquinas de generación demandadas para satisfacer la instalación en estudio.

PARCIALES PARA EL TOTAL DEL HERRAMENTAL CAUDALES DE CONSUMO FACTORES DE USO Y DE SIMULTANEIDAD LLENADO DEL SISTEMA FUGAS 3.3.2.3-La Calidad de Fluido requerido conforma el tercer parámetro fundamental a ser definido. Tal como se explicitó anteriormente los compresores inician su actividad con la toma de aire atmosférico del ambiente para luego comprimirlo y enviarlo al sistema de acumulación y de allí a la red. Por ello la calidad del aire disponible en el ambiente al igual que la calidad de fluido requerido en los distintos procesos productivos resultará directamente ligado uno a otro. Respecto de las necesidades que se pueden producir o necesitar en una planta, en cuanto a la calidad del fluido, suelen ser éstas dispares ocasionando ello serias y complejas determinaciones como ocurre, por ejemplo, en una planta automotriz donde se utiliza aire comprimido, entre otros usos, tanto para alimentación de robótica utilizada en los procesos de pintura, los que exigen una calidad extrema, como para el llenado o inflado de las cubiertas de los vehículos, proceso que requiere un tipo de fluido casi sin ningún tipo de tratamiento. Estas disímiles propiedades, requeridas en una misma planta, exigen de los ingenieros calculistas un exigente compromiso y responsabilidad en sus determinaciones con el objeto de lograr el mejor resultado factible de alcanzar a costos razonables. 3.3.3- COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA INSTALACION DE AIRE COMPRIMIDO Enunciado el tipo de instalación que nos interesa desarrollar en este tratado, podemos decir que toda instalación de aire comprimido consta fundamentalmente de cuatro partes principales, a saber: Generación, Almacenaje o Acumulación, Distribución por Red y Alimentación de Equipos.

GENERACION ALMACENAJE O ACUMULACION

INSTALACIONES DE AIRE COMPRIMIDO DISTRIBUCION POR RED ALIMENTACION DE EQUIPOS

Asimismo, como se verá mas adelante, en cada uno de los procesos indicados el fluido recibirá, al final de los mismos, un “tratamiento particular” con el objeto de maximizar su calidad.

rápidamente, fundamentalmente por pérdidas. Por esto, antes del inicio de toda jornada laboral el “sistema” requiere de su puesta en marcha previo al inicio de las tareas de producción, tal como ocurre con los servicios de vapor o agua caliente provistos por las calderas.

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3.3.3.1-GENERACION La generación del aire comprimido se logra a partir de la utilización de máquinas de desplazamiento positivo llamadas “Compresores de Aire”. Estas máquinas, simplemente toman aire atmosférico del ambiente y lo comprimen enviándolo luego, previo tratamiento, para su guarda temporaria a un depósito comúnmente denominado tanque o pulmón de almacenaje. Existen diferentes tipos de máquinas y tecnologías para la compresión de este fluido, siendo las más utilizadas las siguientes: CON LUBRICACION

ALTERNATIVOS O A EMBOLO SIN LUBRICACION TIPO DE COMPRESORES A TORNILLO ROTATIVOS DE PALETAS DESLIZANTES OTROS 3.3.3.1.1-Compresores a Embolo, o de movimiento alternativo: Son máquinas de desplazamiento positivo en las que inicialmente se aumenta la presión de un volumen determinado de gas (en este caso aire tomado del ambiente) mediante la reducción de su volumen inicial a través del movimiento de vaivén logrado mediante émbolos que se desplazan dentro de sus correspondientes cámaras (cilindros). Estos cilindros pueden ser de simple o de doble efecto y son accionados, en ambos casos, mediante mecanismos de biela - manivela. Estas máquinas también pueden ser de una o mas etapas de compresión. En caso de máquinas de múltiples etapas son necesarios “enfriadores” entre cada una de éstas con el objeto de reducir el aumento de temperatura que sufre el aire en cada proceso de compresión. Estos enfriamientos intermedios permiten, además, reducir el volumen del aire previamente comprimido antes de su ingreso a una nueva etapa disminuyendo así la energía total necesaria además de permitir que los valores de temperatura, tanto del aire como de las partes del compresor en contacto con éste, se estabilicen dentro de límites seguros de operación. Existen además dos tipos particulares de diseño para estos compresores, los que requieren de lubricación y los de diseño sin lubricación. Cada una de estas tecnologías posee tanto costos como campos de aplicación y uso particulares. Cabe aclarar que, bien por su antigüedad, falta de un adecuado mantenimiento o ambas situaciones simultáneas, los diseños con lubricación permiten la fuga de aceite, el que termina acompañando y contaminando al aire comprimido generado. Esta situación debe cuidarse al máximo ya que éste tipo de contaminación no resulta admisible en muchos procesos productivos. A modo de síntesis podemos señalar que los compresores del tipo alternativos, en sus diversas configuraciones y diseños, son comúnmente los mas utilizados en las plantas industriales, especialmente en aquellas en las que no se requiere cualidades excepcionales en este fluido. 3.3.3.1.2-Compresores a Tornillo: Estos equipos consisten en una carcasa de forma oval con talladura de dos cavidades unidas, en forma de 8 acostado. En el interior de las cavidades referidas giran en sentido contrario dos rotores, ejes, que en toda su longitud poseen tallados sendos filetes helicoidales a la manera de macho-hembra que le dan apariencia de tornillos (sin serlo), y de donde deriva su nombre. Ambos rotores se disponen de forma horizontal y paralela de manera que las salientes convexas del filete de uno de ellos penetran en la cavidad cóncava del filete del otro. La toma de aire se realiza desde uno de los extremos de los rotores, siendo que el aire atmosférico ingresa al equipo llenando los espacios existentes entre los filetes de ambos rotores, los que al girar y entrar progresivamente uno dentro del otro (de las hélices) van empujando al aire hacia el frente opuesto y como el volumen del aire va disminuyendo paulatinamente se produce una compresión continua del aire circulante. Como a la descarga del aire comprimido por un filete sigue la llegada ininterrumpida de los demás, este diseño de compresión produce en definitiva un flujo continuo y practicamente sin oscilaciones.

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El número de filetes de cada uno de los rotores generalmente es diferente, siendo que la combinación de 4 entradas en el macho y seis en el rotor hembra es uno de los diseños mas comunes. Esta situación de cantidad de hélices diferentes hace que las velocidades de ambos rotores resulten diferentes. Como no existe un contacto directo entre rotores y carcaza los huelgos entre ambos, y para evitar la fuga de aire, se sellan mediante la inyección de aceite lubricante el que es impulsado por diferencia de presión. Este a la salida de su trayecto de trabajo se enfria y filtra previo a su nueva inyección, en un proceso de circulación continua. El aceite referido cumple tres funciones particulares siendo que un porcentaje aproximado del 80% de su volumen se lo utiliza para enfriamiento de la compresión, 15% para el sellado de fugas y el 55 restante para lubricación de las partes metálicas en contacto. El funcionamiento de este tipo de compresores es de los mas silenciosos y casi excento de vibraciones por lo que no requieren de fundaciones o anclajes costosas. 3.3.3.1.3-Compresores a Paletas Deslizantes: Este equipo consta de una carcasa en cuyo interior se halla un cilindro giratorio, en posición descentrada con respecto al eje de la carcasa, que posee una serie de ranuras en las que se encuentran posicionadas unas delgadas paletas. Debido a las fuerzas centrífugas que se generan durante la rotación, las paletas referidas se deslizan a través de las ranuras hasta la pared de la carcasa que las contiene, dividiendo los espacios entre carcasa y el eje rotor en compartimentos (cámaras) de diferente tamaño. Durante la rotación del cilindro porta-paletas las cámaras se llenan de aire proveniente de la atmósfera, ingresando éste a través del paso del rotor por la boca de aspiración del equipo y al continuar su giro el volumen de aire capturado en las cámaras va disminuyendo paulatinamente comprimiendo el aire hasta que éste es expulsado por el conducto o boca de salida del compresor. Las paletas deslizantes, en ningún momento hacen contacto con la pared interna de la carcasa sino que lo hacen respaldándose en dos aros giratorios de diámetro ligeramente inferior al de la carcasa. En esta situación el equipo está diseñado para proporcionar una determinada inyección de aceite en el interior del equipo que por efecto de las fuerzas centrífugas producidas es arrastrado y adherido a las paredes interiores de la carcasa proporcionando así estanqueidad a las fugas entre paletas y carcasa. Generalmente, el aceite lubricante se hace circular en un circuito cerrado, similar al caso de los compresores a tornillo, filtrándolo y enfriándolo, siendo que este proceso ayuda también al enfriamiento del sistema de compresión (máquina y aire comprimido) entregando un fluido a temperaturas inferiores a las de los compresores del tipo alternativos. Estos compresores son sencillos, eficientes y silenciosos, y al igual que los compresores a tornillo, la salida de aire es continua, no pulsante como la de los compresores alternativos. 3.3.3.1.4-CANTIDAD Y TIPO DE EQUIPOS A INSTALAR Resulta importante analizar, respecto de la cantidad de equipos compresores que formarán el sistema de generación, las siguientes consideraciones básicas: Economía: La inversión mínima (inicial) se obtendrá sin dudas con el diseño, cálculo y adquisición de un único equipo compresor capaz de proveer la totalidad de aire comprimido necesario en la planta. Operatividad: Un diseño de instalación con un único equipo compresor está lejos de ser la ideal. Un análisis cuidadoso de las particularidades del consumo puede resultar, por ejemplo, en la recomendación de dividirlo entre dos o mas equipos de compresión, donde alguno de ellos deberá atender la demanda promedio y los siguientes actuarán como refuerzo en períodos u horarios de consumo pico logrando de esta manera menores consumos energéticos y menores desgastes de los equipos. Por otra parte, la división del consumo entre varios equipos compresores resulta conveniente cuando deban preverse ampliaciones futuras al sistema de generación o bien durante las paradas por mantenimiento o imprevistos.

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Existen determinados procesos productivos usuarios de aire comprimido en los que no resulta posible la discontinuidad o parada de los mismos. En éstos por lo tanto se requiere, especialmente para los casos de paradas por reparaciones y o mantenimiento no previstos, de la previsión y provisión de equipos de generación alternativos de reemplazo que eviten la parada de los procesos productivos. Por otra parte el funcionamiento natural de los equipos de compresión genera un importante nivel de ruidos. Estos son originados tanto por las fuentes mecánicas intervinientes en la compresión del aire como por la existencia de vibraciones en los equipos y además por los efectos que produce la circulación del aire en los distintos pasos del proceso de compresión. Los equipos más ruidosos suelen ser los de tipo a embolo o alternativos. También la aspiración del aire atmosférico, previo a su compresión, también genera un importante nivel de ruido. Por ello suele dotarse a los conductos de aspiración, entre los filtros de ingreso del aire atmosférico y compresores, de silenciadores que si bien producen importantes pérdidas de carga, ayudan a minimizar la problemática de ruidos en el ambiente86

Los equipos de compresión de aire del tipo rotativos, por su misma naturaleza, son generadores de un menor nivel de emisión sonora

. Para evitar las vibraciones producidas por los equipos compresores se dota a éstos de bases y anclajes con elementos amortiguadores con los que se minimiza grandemente estas problemáticas.

87

ALTERNATIVOS 80 - 85 dB (A)

NIVELES DE EMISION SONORA (APROXIMADOS) EN COMPRESORES DEL TIPO ROTATIVOS 65 - 70 dB (A) 3.3.3.1.5-TRATAMIENTOS EN LA GENERACION Entendiendo por generación no sólo a la compresión del aire sino al “proceso integral donde se comprime y acondiciona al fluido tomado de la atmósfera previo a su almacenamiento”, corresponde se considere una serie de tratamientos, algunos previos y otros posteriores al paso del fluido por el compresor, que resultarán de fundamental importancia para determinar la calidad del aire comprimido obtenido. Por esto podemos sintetizar al proceso de generación como a la suma o sucesión de los siguientes procesos-etapas:

(ruido) respecto de los compresores a embolo o alternativos.

TRATAMIENTOS EN LA ASPIRACION DEL AIRE ATMOSFERICO

GENERACION COMPRESION DEL AIRE

TRATAMIENTOS POSTERIORES A LA COMPRESION Es decir que en la Generación se observan dos etapas particulares de tratamiento del aire a procesar, etapas que se cumplen en la mayoría de instalaciones, a saber:

86 Es importante señalar que la legislación impone límites máximos a la emisión de ruidos y vibraciones ya que éstos afectan directamente a la salud de los trabajadores (Decreto Nacional 351/79- Artículos 85 al 94 - Reglamentario de la Ley Nacional de Higiene y Seguridad en el Trabajo) 87 Para la medición de los niveles de emisión sonora (ruido) se utiliza la unidad denominada Decibelio. Esta unidad se emplea tanto en telecomunicaciones como en acústica para expresar una relación entre dos magnitudes, las que pueden ser: de potencia, acústicas o eléctricas. El decibelio, cuyo símbolo es dB, es una unidad de tipo logarítmica, submúltiplo del Belio. El uso de este tipo de escala logarítmica se debe a que la sensibilidad que presenta el oído humano a las variaciones de intensidad sonora sigue también una escala aproximada a una del tipo logarítmica y no una tipo lineal. Si bien los verdaderos umbrales de audición varía entre las distintas personas, y aún dentro de la misma persona para distintas frecuencias, se considera y adopta como 0dB al umbral mínimo de la audición y 140 dB como el umbral de dolor para el oído del ser humano. Como el oído humano no percibe igual las distintas frecuencias y alcanza el máximo de percepción sólo en las “medias” se definió al decibelio A (dBA), como la unidad de nivel sonoro medido con filtros que quitan parte de las bajas y las muy altas frecuencias valorizando únicamente a aquellas frecuencias más dañinas para el oído humano. Por ello, la exposición a una determinada potencia sonora (ruido) medida en dBA, es un buen indicador del riesgo auditivo. La Ley Nacional Nº 19.587 define los valores de ruido y tiempos máximos de exposición admisibles en los ambientes laborales.

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TRATAMIENTOS EN LA ASPIRACION DEL AIRE ATMOSFERICO FILTRADO (FUNDAMENTALMENTE) TRATAMIENTOS POSTERIORES - DESHUMIDIFICACION A LA COMPRESION -ELIMINACION DE OTRAS IMPUREZAS Si se analizara el aire del medio ambiente, con los elementos adecuados, se podrá observar que en tan solo 1 m3 de aire aspirado por el compresor, y según la calidad del medio donde se realice la toma de éste, se puede llegar a encontrar fácilmente hasta con 150 millones, o más, de partículas en suspensión y, dependiendo de la humedad atmosférica reinante, con un 40% u 90% de vapor de agua, así también como con una importante cantidad de aceite y/o hidrocarburos no quemados, provenientes de máquinas o bien de diversos gases de escape. Para entender dicha problemática, y a modo de ejemplo, supongamos tener que comprimir a 10 bares el referido tipo de aire atmosférico. En éste la concentración de las “sustancias nocivas y contaminantes” aumentaría cerca de 11 veces, es decir que 1 m3 de aire atmosférico de la calidad establecida, comprimido a 10 bares, poseería un total aproximado de 1650 millones de partículas contaminantes. Tal como se ha dicho anteriormente, y en función a la aplicación final a darle al fluido, estas partículas contaminantes deben ser convenientemente disminuidas o eliminadas88

Impurezas más importantes que se pueden encontrar en el aire atmosférico y su tamaño. El diámetro de partículas está expresado en micrómetros [µm] FIGURA 31

hasta obtener, muchas veces, un aire comprimido estéril, absolutamente seco y exento de aceites, tal como se lo requiere, por ejemplo, en las industrias y o aplicaciones farmacéuticas. El primer tratamiento a realizarle al aire atmosférico, previo al ingreso del mismo al compresor, es un tratamiento de filtrado. Para ello, las secciones de toma, filtros y conductos deben prever la correspondiente pérdida de presión que genera este primer proceso de reacondicionamiento del fluido aspirado. Para tener idea de la diversidad y tamaño de alguna de las partículas que se pueden encontrar en el aire atmosférico se muestra la Figura 31.

El tipo, cantidad y sección de cribas, material de mallas, y demás particularidades de sistema de filtrado a realizar durante la toma del aire atmosférico resulta entonces de particular y significativa importancia ya 88 Estas impurezas generan contaminación y o fallos en los equipos, herramientas o aparatos que utilizan al aire comprimido como fuente de energía. Las consecuencias son “costosos tiempos de paradas” y o “productos de baja calidad”.

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que al ser el primer paso de un complejo y vasto sistema, si éste no fuera resuelto convenientemente difícilmente se pueda obtener un producto final con la calidad esperada. Para ello, el ingeniero o el proyectista en Ventilación Industrial, una vez estudiadas tanto las necesidades de los procesos de fabricación como los de la calidad de aire atmosférico disponible, deberán definir el equipamiento requerido por la instalación89

Se trata de un

. Cuando se habla de “deshumidificación del aire comprimido” se entenderá directamente como la quita de humedad contenida por el aire, que en el proceso de compresión y frente al aumento de presión y la temperatura generada, posibilitó que el agua en estado gaseoso contenida pasara al estado líquido, resultando ésta un elemento sumamente pernicioso para el proceso. Existen diferentes procesos que permiten eliminar gran parte del contenido de agua existente en el aire comprimido. Con éstos, no sólo se logra la precipitación y quita de un elevado porcentaje del total de agua sino también el de otras impurezas, obteniendo así un fluido con un grado apropiado de calidad, y en la mayoría de los casos, “ya acondicionado” para su utilización final. De los procesos más utilizados para este acondicionamiento integral de quita de humedad e impurezas varias, podemos citar los siguientes: 3.3.3.1.5.1-SECADO POR ABSORCION

procedimiento puramente químico en el que se hace recircular al aire comprimido a través de un lecho altamente higroscópico. Durante esta recirculación del fluido, el agua contenida en el mismo se pone en contacto y combina químicamente con las sustancias que conforman el lecho antedicho lográndose así la retención del agua. Los compuestos que se forman por esta unión química deben ser separados periódicamente del lecho cosa que puede realizarse tanto de forma manual como automática, de acuerdo al tipo de equipo y tecnología utilizada. El lecho de secado, frente a la continua contaminación y retiro de parte del mismo, debe suplirse con nuevo material para mantener la capacidad operativa del sistema. Estas tareas se realizan aproximadamente de 2 a 4 veces al año, de acuerdo al tipo de equipo de que se trate. Es importante señalar que este procedimiento de secado sólo es capaz de retener muy pequeños porcentajes o proporciones de partículas de aceite90

3.3.3.1.5.2-SECADO POR ADSORCION

, ya que si éstos estuvieran en importantes cantidades contaminarían a las sustancias secantes quitándole operatividad al sistema. En éstos casos se recomienda la utilización de filtros de retención de aceite para el aire comprimido, previo ingreso del mismo al equipo de secado.

91

89Normalmente estas determinaciones también debieran considerar los datos, información y experiencias del fabricante del equipo o sistema de compresión a utilizar en la instalación, a los efectos de maximizar los resultados finales. 90El aceite normalmente proviene de los compresores, producto de las pérdidas de lubricante por desgaste en las piezas de los mismos. 91 Adsorción (de adsorber): Capacidad de atraer y retener en la superficie de un cuerpo moléculas o iones de otro cuerpo.

Se trata de un proceso físico, en el que se hace recircular al aire comprimido a través de un lecho de secado formado por gránulos adsorbentes de multicaras, de tamaño similar a perlas, al que se lo denomina normalmente como “gel secante”. Durante la recirculación del fluido, el agua contenida en el mismo queda retenida por contacto sobre el gel que es el encargado de fijar/ retener la humedad del aire sobre sus caras. El gel referido se compone casi en un 100% de dióxido de silicio. La capacidad adsorbente de este tipo de lechos es naturalmente limitada. Cuando éstos se saturan, pueden regenerarse de forma simple a través de recirculación de aire caliente a través de los mismos, proceso con el que puede retirarse la humedad retenida por el gel secante.

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3.3.3.1.5.3-SECADO POR ENFRIAMIENTO Se trata de un proceso en el que se obtiene el secado del aire haciendo circular a éste en equipos a través de diversos sistemas de intercambio de calor y se basan en el principio de lograr una reducción de la temperatura del punto de rocío92

Temperatura = 20˚C

del fluido. Estos sistemas pueden ser de tres tipos diferentes, por aire (Aire-Aire), por agua (Aire-Agua) o frigoríficos y en todos los casos el principio de funcionamiento se basa en que, si se hace disminuir la temperatura del aire comprimido húmedo su capacidad de retención del vapor de agua disminuye, permitiendo se produzca su condensación para una posterior separación por purgado. En realidad el funcionamiento de los dos primeros equipos secadores referidos se limita a acelerar el enfriamiento del aire comprimido caliente que sale del compresor, hasta una temperatura ambiente y generalmente suelen ser empleados como preparación previa para procesos posteriores de secado mas intensivos, que suelen lograrse con la utilización de equipos secadores por adsorción. Por tal motivo, mas que enfriadores suele denominarse a estos equipos de secado como post- enfriadores. Por otra parte los secadores frigoríficos utilizan equipos compresores frigoríficos, similares a los equipos de enfriamiento utilizados por las heladeras, para enfriar al aire comprimido proveniente del compresor reduciendo su capacidad de retención de agua. Un adecuado funcionamiento del secador frigorífico exige que la temperatura de entrada del aire a tratar no supere los 40˚C, por lo que normalmente necesita se intercale previo al mismo un preenfriador del tipo Aire-Aire o Aire-Agua antes descriptos. 3.3.3.1.6-CONCEPTOS DE AIRE LIBRE Y ATMOSFERA NORMAL DE REFERENCIA Los valores de caudal de aire comprimido, tanto para su producción como para el consumo del mismo, se expresan generalmente en unidades de “Aire Libre”, es decir de aire tomado de la atmósfera. Por ello y siendo que las condiciones atmosféricas del ambiente resultan con parámetros muy disímiles se hizo necesario definir una serie de parámetros, que al momento de diseñar tanto a los equipos para su producción como para las diversas herramientas y dispositivos neumáticos que lo consumen existiera una relación constante y universal, parámetros que conforman la llamada “Atmósfera Normal de Referencia” (ANR) siendo:

PARAMETROS DE LA ANR93

92Punto de rocío (llamado también Temperatura de rocío): Se puede definir como la ttemperatura a partir de la cual comienza a condensarse el vapor de agua contenido en el aire produciendo rocío o neblina. (Ver punto 3.3.4.3.1.7) 93 Valores definidos por la Norma ISO R 554. Otras condiciones para el Aire el Aire Libre lo da , por ejemplo, la Compresed Air & Gas Institute de U.S.A. normativa en la que un caudal de 1 N m³/h representa un caudal de 1 m³ de aire por hora a 20º C de temperatura, 1,033 kg/cm2 de presión y 36 % de humedad relativa.

Presión = 1,013 bar Humedad Relativa = 65% A partir de esta normalización, y salvo que se indique específicamente lo contrario, se entiende que las características de todo “aparato” que trabaje con aire comprimido se explicitan sobre la base de su equivalencia a un aire en condiciones de Atmósfera Normal de Referencia. Así por ejemplo, para el caso de un equipo compresor de aire, en lugar de expresarse el caudal de aire capaz de comprimir se expresa el caudal de aire aspirado del ambiente en condiciones de una ANR. Para clarificar aún mas lo establecido se acostumbra anteponer la letra “N” (indicando por Normal) al caudal que se mencione, expresándose por ejemplo que la capacidad de tal compresor es de tantos xx Nm3/minuto. Para calcular la equivalencia entre caudales de consumo y de generación, suponiendo que la conversión se practicara a una temperatura constante T= 20˚C (igual a la temperatura de la ANR), se utiliza una fórmula simple, la que nos permite convertir el “volumen de aire comprimido” en volumen de “Aire Libre”, a saber:

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Pr + pa QAL (T=20 ˚C) = QAC ----------- pa Donde: QAL : Caudal de “aire libre” [m3/minuto] QAC : Caudal de aire comprimido para su consumo [m3/minuto] pr : Presión relativa del aire comprimido [kg/cm2] pa : Presión atmosférica [1,033 kg/cm2] pr+pa : Presión absoluta Si la conversión se realizara, por ejemplo, para una temperatura de operación igual a T= 30˚C (303 K˚)94

P + 1,033 293 QAL (T=30 ˚C) = QAC --------------- X --------- 1,033 303 Ejemplo de cálculo: Determinar el volumen equivalente de aire normal, en condiciones de A.N.R, que posee un tanque de 10 m3 de capacidad en el que se halla almacenado aire comprimido a 7 kg/cm2 de presión (relativa), luego de una supuesta transformación donde la temperatura inicial y final de la masa gaseosa fuese de 20˚C. Siendo las condiciones del aire comprimido p1; V1 y T1 y p2; V2 y T2 las condiciones de la A.N.R será: p1 = 7 kg/cm2 + 1,033 kg/cm2 = 8,033 kg/cm2 (presión absoluta de la masa de aire almacenado) p2 = 1,033 kg/cm2 (presión de la A.N.R) Luego, para una transformación a T= Cte., será T1 = T2 = 20˚C y p.V = Cte. , por ello: p1.V1=p2.V2 V2 = V1 . (p1/p2) = 10 . (8,033/1,033) = 77,76 m3 Si por ejemplo, la temperatura de la masa de aire comprimido hubiera sido de T= 30˚C (303 K˚), sería: p. V / T = Cte., por ello: p1.V1 / T1 = p2.V2 / T2 V2 = V1 . (T2/T1) . (p1/p2) = 10 . (273/303) . (8,033/1,033) = 70,06 m3 3.3.3.1.7-CONCEPTOS DE HUMEDAD RELATIVA Y PUNTO DE ROCIO Para una determinada condición de presión y temperatura atmosférica se denomina Humedad Relativa a la relación entre la humedad que contiene una determinada masa de aire respecto a la humedad máxima que podría admitir la misma sin que se produzca condensación, se expresa en porcentaje y su importancia fundamental radica en que ésta refleja adecuadamente la capacidad que posee una masa de aire para admitir mas o menos vapor de agua. Su cálculo se realiza mediante la siguiente fórmula: p (H2O) HR = 100 --------------- p* (H2O)

sería:

94 T (˚K) = T (˚C) + 273

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Donde: HR: Humedad Relativa de la masa de aire considerada [%] p (H2O) : Presión del vapor de agua contenido en la masa de aire [bar] p*(H2O): Presión de saturación del vapor de agua a la temperatura que se encuentra la masa de aire [bar] Por otra parte la Temperatura de Rocío, llamada también como Punto de Rocío, es la temperatura a la que comienza a condensarse el vapor de agua contenido por una determinada masa de aire produciendo neblina o rocío. Cuando la masa de aire se satura (es decir que su humedad relativa es del 100%) se llega al punto de rocío. También puede definirse como Punto de Rocío expresando: Es la temperatura a la cual debería enfriarse una masa de aire (aire comprimido, aire atmosférico, etc.) para que el vapor de agua contenido en el mismo condense. Por lo expresado resulta importante tener presente la siguiente cuestión/comparación: “Punto de Rocío Atmosférico Vs. Punto de Rocío a Presión de Trabajo” Para ello, la última definición resulta de particular importancia para entender que no es lo mismo hablar de Punto de Rocío a presión atmosférica (760 mm Hg) que Punto de Rocío a presión de operación o de trabajo. Este último es más alto y es el que verdaderamente debe considerarse a la hora de diseñar los equipos y sistemas de tratamiento para el fluido ya que las máquinas, dispositivos y o herramientas neumáticas trabajan con aire a presiones diferentes y mayores a la presión atmosférica. Por ello y de no considerarse así aparecerán, tanto en las cañerías de conducción como en puestos de trabajo, “condensaciones no previstas” las que, en la mayoría de casos, resultan altamente perjudiciales. 3.3.3.2-ALMACENAJE O ACUMULACION El almacenaje o acumulación95

La necesidad de poseer una “reserva energética”: Resultará sencillo comprender que con un reservorio de fluido (aire comprimido almacenado) se puede hacer funcionar a un determinado dispositivo o herramental neumático y que tanto el volumen como la presión disponibles resultarán los factores determinantes para definir los períodos de tiempo en el que resultará posible materializar dicho funcionamiento. Cabe aclarar además que, salvo contadas excepciones, no resulta viable alimentar herramental o dispositivo neumático alguno haciéndolo directamente con el “producido” por el compresor

del aire comprimido, previo a su distribución por red, responde a diversas particularidades/necesidades de la mayoría de las instalaciones. A continuación señalaremos las dos cuestiones de mayor relevancia que lo justifican, a saber:

96

En la Figura 32 se grafica un ciclo común de trabajo. Este se inicia con el tanque de almacenaje a presión máxima (p1) abasteciendo al consumo y con el compresor detenido hasta que la presión del tanque disminuya hasta el valor mínimo de presurización definido para la instalación (p0) cosa que ocurre luego

. La necesidad de compensar “producción con consumo”: Sin dudas la capacidad de compensar las variaciones entre lo producido por el o los compresores y los caudales de consumo requeridos, debido fundamentalmente a los diferentes ritmos que se dan en ambos estadios, resulta una de las determinaciones de fundamental importancia para lograr que una instalación resulte tanto útil como sustentable. En condiciones normales, entonces, el consumo de aire comprimido es alimentado por el fluido contenido en el tanque de almacenaje, y éste es a su vez repuesto al mismo por el o los compresores de la instalación. 3.3.3.2.1-DETERMINACION DE CAPACIDADES

95 El almacenaje de aire comprimido, normalmente a presiones iguales o mayores a los 7 bar, debe hacérselo en tanques de construcción especial respetando las pautas del Código ASME-Sección VIII, normativa específica para diseño y cálculo de recipientes a presión. 96 Hasta los equipos mas pequeños, como los de hobby, requieren y poseen tanques de almacenaje.

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de transcurrido un determinado tiempo (t1). A partir de dicho momento, el compresor reinicia su trabajo hasta llegar a restablecer el valor de presurización del tanque de acumulación, cosa que ocurre en un tiempo t2. Esto es con el objetivo de reponer la carga ya consumida además de alimentar el consumo que se produzca en el período de tiempo que va de t1 a t2. Al llegar a esta situación el compresor detendrá su marcha a la espera del inicio de un nuevo ciclo. Gráfica de variaciones de presión del tanque de almacenaje en el tiempo FIGURA 32 Si llamamos V al volumen de aire contenido en el tanque de almacenaje, cuando la presión es p=p1=pmax. y asumiendo que la temperatura es de 20˚C = Cte, expresado en condiciones de ANR, se tendrá que: p1 + 1,013

V1 = V (1) 1,013 Cuando transcurra un tiempo t1 y se tenga en el tanque una presión igual a p=p0, tendremos: p0 + 1,013

V0 = V (2) 1,013 Por lo que la diferencia de volúmenes V1 y V0 precisa el aire consumido durante el tiempo t=t1. Este, expresado en ANR y relacionado con el tiempo t1 nos define al caudal Qu como caudal promedio utilizado:

V1 – V0 Qu = (3)

t1 Durante el período de tiempo t=t2, el compresor no sólo deberá reponer el caudal Qu utilizado sino que además deberá generar el volumen de aire que se consuma en este tiempo, es decir:

V1 – V0 V1 – V0 Qc = +

t1 t2 Trabajando matemáticamente la última expresión tendremos:

p1

p0 pd = ∆p

t1 t2

t

P

t 0

81

t1 + t2 t Qc = (V1 – V0) = (V1 – V0) t1 . t2 t1 . t2 Por lo indicado en (1) y (2) también podemos expresar que: p1 + 1,013 p0 + 1,013 p1 – p0 V1 – V0 = V . – V . = V . 1,013 1,013 1,013 Por ello, y reemplazando tal como se indica en la Figura 31 a la diferencia de presiones p1-p0 = pd, también será: pd t Qc = V . (4) 1,013 t1 . t2 pd V Qu = (5) 1,013 t1 Con los valores de Qc y Qu calculados en (4) y (5) podemos expresar:

1,013 . t1 . t2 . Qc V = (6) pd . t O bien que:

1,013 . t1 . Qu V = (7) pd La determinación de los tiempos t1 y t2 debe realizarse considerando, además de los caudales en juego, que las puestas en marcha y paradas del compresor deficientemente definidas pueden afectar, entre otros, a los sistemas de alimentación de energía y de control de la instalación como así también al propio motor del equipo compresor. Normalmente resulta conveniente limitar la frecuencia horaria de los ciclos de arranque a no más de 15, es decir que cada uno de ellos debiera darse en un tiempo igual o mayor a los 4 minutos. También, y de la combinación de las fórmulas (6) y (7), se deduce que: Qc . t2 = Qu . t (8) ( t1 + t2 ) Qc = Qu (9) t2

82

Estas dos últimas formulas (8) y (9) claramente nos expresan que el compresor, en el período de tiempo “t2”, debe generar y proporcionar al tanque de almacenaje un volumen de aire igual al volumen de aire comprimido utilizado en el sistema durante todo un ciclo de tiempo, de duración “t”. Para el caso que por anticipado se conozcan o fijen los valores correspondientes a Qu; Qc y N (frecuencia de arranques horarios; N=60/t), y siendo Pa el valor correspondiente a la presión de aspiración del compresor, en este caso simplificado e igualada a la presión atmosférica, el volumen del tanque de almacenaje puede determinarse empleando la siguiente fórmula: 60 V = [m3] (10) Pd 1 1 N ( + ) Pa Qu Qc - Qu Muchas veces puede resultar necesario acceder a una pronta y orientativa determinación del volumen de almacenaje, con menores recursos en el conocimiento de los parámetros antes referidos, para cuyo caso suelen emplearse las siguientes fórmulas:

4 . Ccomp.1/2

Vtq.= - Para pequeñas instalaciones (11) ∆p Ccomp. 1/3 Vtq.= - Para grandes instalaciones (12) ∆p Donde: Vtq. : Volumen del tanque de almacenaje [m3] Ccomp. : Capacidad del compresor [m3/min] ∆p : Diferencia de presión aceptable en el/los lugares de consumo [bar] Del análisis de la fórmula (12) se desprende que cuanto mayor resulte el valor de ∆p admisible para la instalación, más pequeño y económico resultará el tanque de almacenaje y viceversa. Alguno de los parámetros, al margen de los referidos, que tienen importante relevancia al momento de la definición del volumen del tanque de almacenaje son: Volumen de fluido almacenado en las “líneas o redes troncales” de distribución del fluido: Resultan comunes las instalaciones con redes troncales en diámetro nominal de 10”, 6” y/o 4” a lo que se suman las cañerías de distribución principales del fluido en 3” y/o 2” , en ambos casos de importante longitud (muchas veces superando al centenar de metros) con lo que el fluido allí almacenado resulta muchas veces igual o mayor a lo calculado por las fórmulas vistas. En estos casos, en el que el consumo es inicialmente alimentado por el fluido de la red de distribución y éste a su vez por el tanque de almacenaje, el ingeniero deberá asumir en función de los coeficientes de seguridad a adoptar si minimiza o no por ello el volumen del tanque de almacenaje calculado con las fórmulas indicadas. Pérdidas estimadas en la instalación “por fugas”. Estas deberán ser convenientemente consideradas mediante la definición del tipo de equipamiento a servir, del servicio de mantenimiento a implementar en la instalación y de imprevistos adecuados.

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Volumen previsto por “futuros incrementos” en el consumo. Debiera considerarse un posible crecimiento en la producción, siempre que ello resultara acorde con la política de la compañía. Si así resultara, es normal adoptar un período de tiempo mínimo de cinco años para tal previsión. Ejemplo de cálculo Para una instalación dada se pide determinar la capacidad del tanque de almacenaje como así también la capacidad requerida para el compresor, para los siguientes parámetros-datos: Qu= 2 m3/minuto a 7 bar Ciclo: t1= 3 minutos ; t2= 12 minutos ; N=60/15=4 Pd = ∆p admisible: 1,5 bar 1,013 . t1 . Qu 1,013 . 3 . 2 Aplicando la fórmula (7) tenemos: V = = = 4,052 m3 Pd 1,5 pd t 1,5 (3+12) Aplicando la fórmula (4) tenemos: Qc = V = 4,252 = 2,5 m3/min 1,013 t1 . t2 1,013 3 . 12 ( t1 + t2 ) (3 + 12) Que calculado con la (9) resulta: Qc = Qu = 2 = 2,5 m3/min t2 12 Utilizando la fórmula (10) tenemos: 60 60 V = = = 4,052 m3 Pd 1 1 1,5 1 1 N ( + ) 4 ( + ) Pa Qu Qc – Qu 1,013 2 2,5 – 2 Con lo que quedan verificados los resultados obtenidos. Utilizando la fórmula (11), imaginando a los datos del problema como correspondientes al de una instalación de pequeña envergadura, tendremos: 4 . Ccomp. 1/2 4 . 2,5 1/2 Vtq. = = = 4,21 m3 ∆p 1,5 Analizando los resultados de la (4) y la (9) respecto de los resultados obtenidos con la (11) se observa una variación menor al 5 %, con lo que podemos asumir como válidas a ambas resoluciones. 3.3.3.2.2-TRATAMIENTOS EN EL ALMACENAJE Al ingresar el aire comprimido al tanque de almacenaje, y debido fundamentalmente a la disminución de velocidades del fluido que se dan dentro de éste, un porcentaje importante del agua, aceite y partículas que con él llegan, provenientes del sistema de compresión, precipitan depositándose en la parte inferior del tanque. Por ello se utiliza siempre, allí instalado, un sistema de purgado con el que logra evacuar la mayor parte de dichos precipitados. Existen, fundamentalmente, tres tipos diferentes de sistemas de purgado, según resulte el tipo de accionamiento, a saber:

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Manual (apertura de válvula) SISTEMA DE PURGA CON ACCIONAMIENTO Automático Mecánico (flotador)

Automático Eléctrico (solenoide-temporizador) Todos ellos poseen importantes campos de aplicación resultando entonces necesario valorar para su mejor selección algunas variables como ser: confiabilidad, gestión y mano de obra requerida para su accionamiento y/o mantenimiento, costos iniciales, posibilidad de automatización, etc. Podemos señalar con certeza, más allá de los costos iniciales del mismo, que el sistema de purga con válvulas de drenaje de drenaje automático-eléctrico es uno de los más efectivos, confiables y prácticamente libres de mantenimiento. Los tanques de almacenaje, normalmente construidos de acero al carbono, requieren también de una periódica limpieza interior con el objeto de quitar óxidos de sus paredes internas como así también residuos aportados por el fluido circulante. Cabe recordar que estos tanques, diseñados y construidos bajo las normas y códigos ASME requieren (según lo exija la legislación vigente en el sitio) de ensayos periódicos para validar la aprobación de continuidad de uso. Alguno de los ensayos mas comunes es el de la verificación de espesores de pared y el de radiografiado de soldaduras. Es importante señalar que existen instalaciones de aire comprimido donde al fluido, una vez que sale del tanque de almacenaje y con anterioridad a ingresar en la red de distribución, se lo vuelve a tratar con equipos y/o procesos similares a los señalados en el proceso de compresión, es decir que también acá el aire comprimido pasa por distintos sistemas de filtrado y a veces hasta con procesos posteriores de secado. Todo ello con el objeto de inyectar el fluido a la red de distribución con la calidad necesaria para el proceso en el que intervendrá. 3.3.3.3-DISTRIBUCIÓN POR RED Una vez completado el proceso de almacenaje del aire comprimido se estará entonces en condiciones de realizar su distribución a lo largo y ancho de la planta, cosa que se logra conduciendo al fluido a través de cañerías apropiadamente diseñadas y calculadas con el objeto primario no sólo de proveer del fluido a los usuarios actuales y futuros, sino que ello se realice a costos apropiados. De las diversas posibilidades con las que se puede obtener una distribución del fluido señalaremos las dos formas básicas de mayor aplicación, que son:

Abierta TIPOS DE DISTRIBUCION POR RED Anillo único Cerrada Anillos múltiples En las figuras 33, 34 y 35 se observan los esquemas correspondientes a los tipos de distribución referidos.

Red de tres ramales y configuración abierta FIGURA 33

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Red de configuración cerrada y anillo único FIGURA 34

Red de configuración cerrada y anillos múltiples FIGURA 35

Por resultar tan amplia la diversidad de “formato” de instalaciones factibles de construir debemos señalar que los diseños de red propuestos suponen ventajas y desventajas que el ingeniero deberá evaluar correctamente con el fin de lograr el proyecto técnico-económico más conveniente para cada planta. El caso de las redes abiertas configura, sin dudas, los diseños que requieren de la menor inversión inicial, por ello resulta ésta la principal ventaja para este tipo de configuración de red. La principal desventaja se pone de manifiesto en el momento en que se requiera practicar acciones de mantenimiento sobre la línea, ya que inevitablemente deberá dejarse sin suministro del servicio aguas abajo del lugar donde se practica la reparación. Esto se observa claramente visualizando la dirección que obligatoriamente debe tomar el flujo del fluido, proveniente del sistema de almacenaje, repartiéndose en cada uno de los ramales que configuran la red. Cabe aclarar, si bien en los esquemas propuestos no están dibujadas, que la totalidad de estas instalaciones requieren la inclusión de una serie de válvulas para seccionar y particionar a cada uno de los ramales permitiendo así tanto abrir como cerrar el paso del aire comprimido de acuerdo a las necesidades tanto de los procesos de fabricación como para la práctica de las tareas de mantenimiento sobre la instalación.

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Las redes de configuración cerrada, si bien resultan de un mayor costo inicial respecto de las redes abiertas, poseen una mayor flexibilidad a la hora de tener que resolver cuestiones tanto de mantenimiento como de seccionado de la instalación para sacar de servicio a diversos ramales de la red. Dicha flexibilidad aumenta, aún mas, cuando el diseño de red es del tipo de anillos múltiples, por supuesto que esta mayor flexibilidad involucra indudablemente mayores costos iniciales. Cabe señalar que las plantas industriales modernas, donde el consumo de aire comprimido no sólo es de prioritaria importancia sino cada vez de mayor aplicación, poseen redes con configuración del tipo cerrada de anillos múltiples ya que con éstas se logra minimizar los costos finales de producción dando máxima flexibilidad a los procesos de producción, sin embargo la gran desventaja de este tipo de configuración lo conforma la falta de constancia en la dirección del flujo del fluido. El sentido de desplazamiento del aire comprimido, en un determinado punto de la instalación, dependerá entonces de las demandas puntuales a ambos lados del mismo siendo que uno de los inconvenientes mayores que éste produce radica en el hecho de que muchos de los accesorios con que se conforma una red (por ejemplo: filtros en línea, reducciones, etc.) son diseñados con diámetros y geometrías de entrada y salida particulares por lo que la inversión de flujo, si bien no los inutiliza completamente, los hace trabajar generando pérdidas energéticas muy importantes. Se verá más adelante que otra desventaja importante a considerar en este tipo de diseño de red es la práctica del correspondiente tratamiento que debe realizársele al fluido en esta etapa de distribución97

VELOCIDAD DEL FLUIDO: 6 a 8 m/sg. CONSIDERACIONES BASICAS PARA EL CALCULO DEL DIAMETRO DE CAÑERIAS DE LA RED PERDIDAS DE CARGA: 2 a 4 % Si bien resulta claro que los costos de toda instalación (cañerías, válvulas, accesorios, mano de obra, etc.) aumentan a medida que se aumenta el diámetro de las conducciones no se debe olvidar que con cañerías de mayor diámetro se minimizan grandemente las pérdidas de energía por circulación, por ello la mejor elección deberá considerar, como mínimo, a ambas situaciones con el objeto de lograr el mejor resultado final. Para el cálculo del diámetro de cañería requerido en la red se recurre normalmente a ábacos y fórmulas empíricas que permiten una rápida determinación de los mismos.

. 3.3.3.3.1-DETERMINACION DE DIAMETROS DE CAÑERIAS Para poder dimensionar correctamente el diámetro de las cañerías de toda red se deben tener presente dos cuestiones fundamentales que resultan del análisis y cálculo de las velocidades máximas convenientes para este particular fluido y de las pérdidas de energía (presión) admisibles a lo largo de las cañerías de distribución. Normalmente se diseñan instalaciones con el mayor diámetro posible a los efectos de lograr:

97 Eliminación de condensados, debido fundamentalmente a la horizontalidad que se debe guardar en este tipo de distribución.

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Gráfica para la determinación de diámetros de cañerías

FIGURA 36 La gráfica de la Figura 36, permite una rápida determinación de cualquiera de los cuatro parámetros que en ella intervienen teniendo a tres de ellos ya definidos o adoptados, como se verá más adelante en la ejercitación propuesta. Los valores que se obtienen utilizando la gráfica de la Figura 36, responden de forma aproximada a la siguiente fórmula: 0,0418 . Q2

∆p = p . d5,3 Donde: ∆p: Pérdida de presión cada 100 pies de longitud de cañería recta [lb/pulg.2] Q: Caudal circulante, expresado como Aire Libre [pie3/min.] p: Presión Absoluta del aire comprimido a la entrada de la cañería [lb/pulg.2] d: Diámetro interior de la cañería [pulg.] 3.3.3.3.2-TRATAMIENTOS EN LA DISTRIBUCION Al igual que en las anteriores etapas/procesos, el aire comprimido requiere de una serie de tratamientos a lo largo de las conducciones de distribución del fluido con el objeto de separar o quitarle el máximo de

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impurezas posible (agua, aceite, partículas, etc.). Cabe señalar que toda red de distribución de aire comprimido suele estar compuesta de dos tipos diferentes de conducciones: Cañerías Principales - Red Troncal TIPO DE CONDUCCIONES DE LA RED Cañerías Secundarias - De acercamiento a los Usuarios La red troncal se compone de una serie de cañerías dispuestas a lo largo y ancho de la planta, según el tipo de distribución adoptada, siendo que el objetivo primario de la misma es el de proveer con dicho “servicio” al total de puntos o centros de consumo, con una calidad de fluido acorde a los diversos requerimientos existentes. Estas cañerías, las que normalmente son del tipo soldadas y de uniones bridadas, se instalan en la parte superior del edificio, con el objeto de no restar espacio utilizable, apoyadas y ancladas sobre soportes con diseños que, entre otros, deberán ser capaces de absorber las dilataciones y vibraciones a que se puedan hallarse sometidas. Los diámetros de estas conducciones deberán ser tales que posibiliten abastecer los caudales necesarios, tanto al momento de su construcción como los requeridos por ampliaciones futuras, generando la menor pérdida de carga posible. Sobre toda red troncal necesariamente deberán preverse, para corte o cierre del paso del fluido, la instalación de válvulas de diseño y materiales apropiados. Estas también requieren de un importante espacio y accesibilidad tanto para su operación como para su mantenimiento. La flexibilidad de la instalación dependerá sin duda entonces, además de otras cuestiones de menor importancia, de la traza de la red así como de la cantidad y ubicación de sus válvulas de cierre y/o derivación del fluido. Se habla de cañerías secundarias cuando se desea identificar a todas aquellas conducciones que se desprenden de la red troncal con el objeto de “acercar” el fluido a los usuarios98

Las conexiones que se practiquen sobre toda cañería, principal o secundaria, deberán realizarse sin excepción sobre la parte superior de la misma con el objeto de evitar así el arrastre de condensados a la misma. Sobre la parte inferior deberán practicarse únicamente las conexiones previstas para la instalación de los sistemas de purgado

del mismo. Normalmente son de menor diámetro que las cañerías troncales y no debiera incluirse en ellas la conexión final al usuario. Se suelen construir con diseños de tipo enteramente soldado y/o soldado y roscado. Al igual que lo referido en el párrafo anterior la mayor o menor cantidad de válvulas de cierre junto al diseño de la traza de la conducción será de fundamental importancia para dar flexibilidad a la instalación.

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98 Usuario: Se suele denominar así tanto a un herramental como a un dispositivo o simplemente a un operador que haga uso del fluido en un determinado lugar de la planta. 99 Las purgas son dispositivos (los hay de funcionamiento manual, mecánico y electromecánico) con los que se realiza la extracción de los condensados que se generan en las líneas de aire comprimido.

, tal se muestra en la Figura 37.

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Esquema correcto para la instalación de derivaciones para consumo y de purgado FIGURA 37 En el caso de las instalaciones con distribución tipo abierta, aprovechando la direccionalidad constante del fluido, el tratamiento resulta sencillo tanto como de bajos costos. Para ello, la instalación de las cañerías principales y secundarias, de no existir impedimentos físicos y o estéticos, se ejecutan con pendientes de 1,5 % hasta 2 % , con lo que se logra un adecuado escurrimiento de los condensados producidos, finalizando las mismas con ramales de bajada a las que se les provee de sus correspondientes válvulas de cierre y sistemas de purga. En la Figura 38 se muestra tanto las pendientes recomendadas como así también los extremos de cada ramal principal provisto de su correspondiente válvula de cierre y purga.

Diseño correcto para el purgado de una instalación de aire comprimido

con distribución Abierta FIGURA 38

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Cuando se trata de instalaciones con distribución del tipo cerrada, tanto de anillo único como de anillos múltiples, el tratamiento resulta no sólo mas complejo sino de mayores costos tanto iniciales como de operación y mantenimiento. Las cañerías principales en este tipo de distribución necesariamente deben instalarse de forma horizontal por lo que el escurrimiento por pendiente ya no resulta aquí posible. Por otra parte, la flexibilidad requerida en toda instalación de este tipo y lograda mediante la apertura y cierre de válvulas de los distintos ramales que la componen, hace que el fluido no posea una única dirección de circulación. Por ello, y si bien siempre es conveniente instalar bajadas para la recolección de condensados, resulta necesario la inclusión de otro tipo de “dispositivos de limpieza”, los que si actuarán como verdaderas trampas de retención de los condensados y partículas contaminantes que se desplazan con el fluido. Uno de los elementos mas comúnmente utilizados para separar las impurezas que viajan con el aire comprimido es el dispositivo conocido con el nombre de Separador Ciclónico de Condensados. Estos dispositivos se suelen instalar al inicio de cada alimentación de los ramales secundarios, tal se observa en el esquema de la Figura 39.

Esquema para la instalación de un Separador Ciclónico de Condensados en redes secundarias

FIGURA 39 A su vez, en la Figura 40 se puede observar un diseño apropiado para el caso de redes de distribución cerrada y de múltiples anillos, en la que a su vez se encuentran redes secundarias también de diseño cerrado. En este caso se conjuga la existencia de separadores ciclónicos y bajadas de purgado de líneas en los extremos del anillo secundario.

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Cabe señalar que la cantidad y ubicación de éstos equipos de purgado deberán ser estudiados detenidamente con el objeto de brindarle a la instalación no sólo la capacidad de limpieza y/o quita de impurezas requerido por los procesos de producción sino también que dicha inclusión resulte económicamente viable.

Esquema para ubicación del ciclón y conexión para purgas en una red de distribución Cerrada

FIGURA 40

3.3.3.3.4-CONEXIONES PARA CONSUMO DEL FLUIDO POR LOS USUARIOS Llegada a esta instancia, resultará necesario definir con precisión las secciones de cañería con que se deberá alimentar a la estación de trabajo, herramienta, motor u dispositivo de que se trate el “Usuario” con el objeto de poder satisfacer las necesidades de caudal y presión requeridas para el óptimo funcionamiento neumático. Muchas veces resulta necesario dar alimentación a varios usuarios desde una misma conducción, en cuyo caso se recomienda la instalación de válvulas independientes para el corte de paso del fluido, no sólo para cada ramal de consumo sino también y primordialmente en el inicio de la misma con el objeto de poder independizar/seccionar los flujos de fluido dando así flexibilidad100

Conociendo las velocidades recomendadas

a la instalación.

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Sucede, en la casi totalidad de casos, que los consumos de aire comprimido en una planta no suelen ser ni continuos ni constantes en el tiempo por ello se impone definir cuatro parámetros fundamentales que son el “Factor de Uso”, el “Factor de Simultaneidad”, la “Valoración de Fugas” y la “Calidad o Pureza Requerida”, instrumentos que nos permitirán definir sin dudas no sólo los verdaderos diámetros de las

para el fluido parecería muy simple entonces determinar la sección de cañería necesaria para alimentar a los consumos existentes. Por ello, si procediéramos simplemente a realizar una sumatoria directa de la totalidad de consumos a alimentar cometeríamos un serio error en el cálculo ya que esa suma directa no sólo no expresaría la verdadera necesidad de caudal requerido sino que nos haría erogar sumas importantes de dinero en instalaciones, equipos y mano de obra verdaderamente innecesarios.

100 Esta flexibilidad resulta de fundamental importancia para las tareas de mantenimiento, ya que permite trabajar sobre alguna de las partes de la línea sin necesidad de interferir con el resto de la instalación y/o procesos productivos. 101 Velocidades que permiten minimizar fundamentalmente pérdidas de carga.

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conducciones necesarias sino primordialmente calcular el verdadero consumo requerido y con ello definir los sistemas de compresión, almacenaje, tratamientos y distribución del fluido a costos racionales. 3.3.3.3.4.1-FACTORES DE USO Y DE SIMULTANEIDAD - TIPO DE CONSUMOS Para el correcto dimensionado de toda instalación de aire comprimido resulta necesario conocer, con la mayor certeza posible y respecto del total de equipos usuarios del fluido, los denominados Factores de Uso y de Simultaneidad de los mismos. Se define como Factor de Uso a la relación entre el tiempo de “trabajo efectivo” respecto de un “tiempo total”, este factor o coeficiente es propio y particular de cada máquina y/o equipo y está determinado por la forma en que éste trabaja. Generalmente este factor puede ser relativamente bien determinado, mediante el cronometraje de las operaciones y/o tareas a realizar. El Factor de Simultaneidad, es un coeficiente que depende del “número de unidades” que en cada momento consumen aire comprimido. A modo de ejemplo decimos que si todas las máquinas funcionaran simultáneamente, este factor sería de valor igual a la unidad y la cantidad de aire comprimido consumido sería equivalente a la sumatoria del total de caudales consumidos por las máquinas intervinientes en la instalación. La situación recién señalada, además de resultar la de “máximo consumo”, es prácticamente imposible de darse en la realidad pues habitualmente existen, en la casi totalidad de instalaciones, desfasajes entre los períodos de tiempo y frecuencias de operación de las máquinas y equipos involucrados en el consumo de este fluido. También resulta cierto que existen diversos tipos de herramental y/o equipos que consumen aire comprimido por ello y para una mas simple determinación de los consumos dividiremos a los posibles “consumos” en tres tipos particulares, a saber:

DISCONTINUO (ATORNILLADORES; ROSCADORAS; AGUJEREADORAS; ETC.) TIPO DE CONSUMO INTERMITENTE/CICLOS (CILINDROS NEUMATICOS; ACTUADORES; ETC.)

CONTINUO (SOPLADORES; MARTILLOS NEUMATICOS; COLCHONES DE AIRE; ETC.) CONSUMOS DISCONTINUOS: Supongamos tener una roscadora neumática, en una línea de montaje, que se la utiliza para el roscado de cinco agujeros por cada “unidad” en proceso. A su vez, y en este caso en particular, el herramental referido requiere de un tiempo de operación efectivo de cuatro segundos para realizar cada rosca. Por lo definido se observa que para resolver el maquinado en las cinco intervenciones por pieza en proceso, resulta necesaria la utilización del referido herramental por un tiempo efectivo total de 20 segundos. Del análisis de los tiempos de operación, y por minuto transcurrido, se deduce que el Factor de Uso resultará: FU1 = 20 sg / 60 sg = 0,333 Suponiendo además que la roscadora referida es utilizada sólo durante 30 minutos por cada hora de trabajo nos queda definida una nueva relación o bien un nuevo Factor de Uso, que será: FU2 = 30 min / 60 min = 0,50 Además, si el caudal de aire comprimido que consume la roscadora resultara igual a Qc=1.500 litros ANR por minuto, tendremos el siguiente promedio en el consumo total:

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Consumo Promedio = FU1 . FU2 . Qc = 0,333 . 0,50 . 1500 = 250 litros ANR/minuto

Por otra parte, los “picos” de consumo promedio se producirán sólo en 30 minutos por cada hora de trabajo, es decir: Consumo Pico = FU1 . Caudal de Consumo = 0,333 . 1500 = 500 litros ANR/minuto

También tendremos que el máximo consumo se dará sólo durante 20 segundos por cada 30 minutos, resultando entonces: Consumo Máximo = 1500 litros ANR/minuto

CONSUMOS INTERMITENTES/POR CICLOS: Para el caso particular de automatismos neumáticos, por ejemplo el “dispositivo para posicionamiento y sujeción de una pieza” accionado por varios cilindros neumáticos. Aquí debería considerarse: cantidad y tipo de cilindros neumáticos, caudales unitarios requeridos, cantidad de accionamientos (ciclos/hora) y duración del ciclo respecto de la unidad de tiempo. Para efectuar un cálculo demostrativo estableceremos los siguientes parámetros como datos del ejemplo: Cantidad de cilindros neumáticos involucrados en el dispositivo de posicionamiento y sujeción=10 (todos iguales); Volumen de aire requerido por cada cilindro (total por ciclo): 2 litros Cantidad de ciclos por hora: 30 Duración del ciclo: 2 segundos = 0,03333 minutos Sumando la totalidad de consumos parciales que se tienen durante un ciclo y dividiendo el volumen total consumido por el tiempo de duración del ciclo, se obtendría el caudal de consumo máximo que requiere el dispositivo referido, siendo en este caso: Consumo Máximo = (10 . 2 litros) / 2 sg = 10 lts/sg = 600 lts/minuto Por otra parte se puede calcular el Factor de Uso haciendo:

FU =Cantidad �ciclos

hora � . Duración del ciclo �minutosciclo �

60 (minutoshora )

= �30 �ciclos

hora � . 0,03333 �minutosciclo ��

60 (minutoshora )

= 0,0166

Podemos entonces definir al consumo promedio general como el producto entre el Factor de Uso calculado y el Consumo Máximo resultando: Consumo Promedio = 600 lts/minuto . 0,0166 = 10 lts/minuto CONSUMOS CONTINUOS: En la práctica es común observar también máquinas y o equipamientos donde el uso del aire comprimido debe ser considerado como de “consumo continuo”. Por ejemplo, en trabajos viales para rotura de pavimentos el uso de martillos neumáticos manuales o bien montados sobre vehículos especiales, trabajan comúnmente sin descanso durante la totalidad de la jornada laboral. Otras veces, como en el caso de equipos sopladores u en otro tipo de instalaciones para movimiento de materiales con la utilización de colchones de aire, etc., podemos observar que los mismos funcionan de forma continua, sin interrupción alguna, por importantes períodos de tiempo durante el desarrollo de la jornada laboral. En estos casos, el consumo de estos equipos se considerarán como de Consumo Permanente, resultando idénticos los consumos promedio, pico y máximo.

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3.3.3.3.4.2-TRATAMIENTOS EN LOS PUNTOS DE CONSUMO FINAL Es indudable que para definir con precisión y la mayor certeza posible los equipos a utilizar, en esta etapa final de la conducción, resultará prioritario conocer, entre otros, la calidad del fluido requerida en el proceso. Cuando se habla de calidad del aire comprimido se hace referencia a los contenidos en éste de partículas sólidas, vapor de agua y restos de aceite provenientes de la compresión. La denominación más comúnmente utilizada para la definición de calidades del fluido se basa en los parámetros dados por las normas ISO 8573-1, que se transcriben en la Tabla 27. Tal como se puede observar las “Clases” del fluido se dividen en nueve escalas donde la última (número 9) corresponde a la de menor calidad y la primera (número 0) a la de mayor calidad correspondiéndole a ésta última la inexistencia total de aceite102

Calidades del aire comprimido según las normas ISO 8573-1 (Versión 2001) TABLA 27 Para efectivizar el tratamiento final requerido por el aire comprimido, previo a su ingreso a la máquina o dispositivo neumático, se agregan a la instalación una serie de equipos denominados generalmente “Unidades de Mantenimiento” o “Conjuntos FRL”. Estos equipos constituyen una parte fundamental del equipamiento y resultan indispensables para obtener un correcto funcionamiento de los sistemas neumáticos así como para asegurar la vida útil del herramental utilizado. Estos Conjuntos FRL se conciben generalmente con diseños para ser instalados en la línea “en serie” y se trata de tres equipos y procesos particulares que permiten completar la Filtración (F), Regulación de la presión (R) y Lubricación (L) del fluido previo a su utilización.

en gotas, aerosol o vapor. El aire comprimido “libre de aceite” se requiere fundamentalmente cuando éste entra en contacto con el producto final sin producir contaminación, por ello el aire “Oil Free” es el que se utiliza, por ejemplo, para diversos procesos productivos en industrias de alimentos, farmacéutica, electrónica y otras.

FILTROS: Están destinados a retener partículas líquidas y sólidas. La eliminación de partículas líquidas103

102 Se refiere a la inexistencia de aceite proveniente del equipo compresor, el que fuga de los sistemas de lubricación. 103 Gotas y/o vapores de agua y/o aceite.

se logra mediante la generación de un efecto ciclónico haciendo que el aire, al ingresar al filtro, adquiera un movimiento veloz de rotación permitiendo esto, por efecto de la fuerza centrífuga generada, que las partículas líquidas queden adheridas a las paredes del recipiente por las que escurren hacia el fondo del mismo por gravedad para su posterior eliminación automática y/o manual.

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Además, las partículas sólidas quedan retenidas haciendo circular al aire por un elemento filtrante que suele ser de bronce104poroso sinterizado105, por el que se lo hace pasar al fluido luego de producida la eliminación de las partículas líquidas. Una característica importante a tener presente a la hora de seleccionar estos filtros es considerar correctamente el tamaño o diámetro de conexión de los mismos. En nuestro país es común utilizar conexiones que van desde ¼” hasta 1” de diámetro nominal con rosca BSPT106

Remoción de partículas de hasta 1 micrón Filtros de Protección General (DD)

Máximo contenido remanente de agua y aceite: 0,1 ppm (0,1mg/m3)

, estos diámetros de conexión están directamente relacionadas con los caudales de aire circulante, resultando necesario para un mayor caudal un mayor diámetro de conexión. Razonablemente cabe suponer que mayores caudales de aire arrastrarán mayor cantidad de partículas contaminantes. Esto, si bien no crea mayores problemas con los líquidos, los que se eliminan por purgado, si lo pueden generar las partículas sólidas. Por ello, los elementos filtrantes y su grado de porosidad deben guardar una coherente relación con los caudales circulantes para evitar con ello prematuros taponamientos y/o una excesiva pérdida de carga. Los filtros suelen dividirse en los siguientes grupos/ rangos:

Remoción de partículas de hasta 0,01 micrón Filtros de Alta Eficiencia (PD)

Máximo contenido remanente de agua y aceite: 0,01ppm (0,01mg/m3)

Filtros de Carbón Activado (QD) Remoción de vapores de aceite e hidrocarburos con un máximo

remanente en contenido de aceite de 0,003 mg/m3 (0,003ppm) y se instalan después de filtros de rango DD + QD

REGULADORES DE PRESION: Tal como se ha explicado, los equipos compresores funcionan de forma intermitente y la presión interna del tanque de almacenaje varía entre valores límites. A estas cuestiones de variación de presiones se suma, por un lado, las pérdidas de carga que se generan en el sistema de distribución del fluido, las que serán mayores a medida que aumenten las longitudes de las conducciones y, por otra parte, la variación de caudales que se producen por los consumos intermitentes de máquinas y equipos utilizados. Estas situaciones requieren de una “adaptación final” del valor de la presión del fluido, al ingreso de un determinado herramental neumático, para que éste se mantenga constante en el tiempo garantizando así la operatividad esperada. Por las causas referidas resulta imprescindible disponer de equipos reguladores de presión individuales en cada punto de consumo para con ellos permitir tanto el el ajuste como el mantenimiento constante de la presión de alimentación. Los Reguladores de Presión sólo permiten bajar, nunca subir, la presión del fluido que por ellos circula. Para un correcto ajuste del valor de presión del fluido es recomendable instalar reguladores de presión que posean manómetros individuales de calidad y escalas adecuadas a los procesos en que los que han de servir.

104 Bronce: Es toda aleación metálica de Cobre y Estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción del 5 al 15 % aproximadamente. Las aleaciones constituidas por Cobre y Zinc se denominan Latón; sin embargo, dado que en la actualidad el cobre suele ser aleado con el estaño y el zinc al mismo tiempo, en el lenguaje no especializado se los suele llamar indistintamente tanto como bronce o latón. 105 Sinterizado: tratamiento térmico de un polvo o compactado de metales o cerámicas una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, utilizado para incrementar la fuerza de cohesión entre las partículas y la resistencia final de la pieza. 106 BSPT: British Standard Pipe Taper threads. Rosca Withworth cónica para caños según la British Standard.

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LUBRICADORES: Salvo casos especiales donde se requiere un aire libre de aceite, este fluido está generalmente destinado a accionar máquinas, cilindros, válvulas, etc. en los que una correcta lubricación de sus componentes evitará prematuros deterioros, los que pueden producirse por fricción y/o corrosión de sus partes internas, aumentando notablemente la vida útil de los mismos. El diseño más difundido de lubricación consiste en dosificar un determinado aceite lubricante en el aire comprimido que accionará el sistema, atomizándolo para formar una microniebla que terminará siendo arrastrada por el flujo del aire cubriendo las superficies internas de los componentes a través de una fina película de aceite. Los lubricadores se conforman de un vaso, normalmente traslúcido, en el que se deposita el aceite lubricante además de un mecanismo simple, regularmente manual, que permite dosificar el ingreso de lubricante al herramental. Los equipos FRL pueden ser del tipo independientes o bien del tipo denominado como “Unidad Múltiple” . Cuando el filtro y el regulador se conciben en una sola unidad se los denomina como Unidad Filtro-Regulador resultando su costo de menor cuantía al de dos unidades independientes. Su funcionamiento no cambia y además de la economía de su precio, su instalación resulta mas sencilla y económica ya que debe instalarse un solo elemento en vez de dos. Existen diversas posibilidades de equipamiento e instalación de este tipo de unidades, según resulten los requerimientos del herramental a alimentar. A modo de ejemplo es común observar instalaciones en las que con una misma unidad reguladora de presión se satisfacen-alimentan varias salidas para consumo a las que se les coloca luego, y en cada una de ellas de ser necesario, las correspondientes unidades de filtrado y lubricación.En las Figuras 41, 42 y 43 se pueden observar unidades FRL con vasos de diverso diseño, materiales y reguladores micrométricos para dosificación del lubricante.

Unidad de Filtrado-Regulación-Lubricación (FRL) FIGURA 41

Unidad Compacta de Filtrado-Regulación-Lubricación (FRL) FIGURA 42

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Unidad Compacta de Filtrado-Regulación-Lubricación (FRL) en corte FIGURA 43 En distintos puestos de trabajo muchas veces el operador del herramental neumático debe desplazarse en áreas y longitudes importantes para lo que requiere de conexiones con mangueras flexibles (espiraladas) y o estándar para cubrir dichas longitudes. Este tipo de instalaciones (conexiones) muchas veces genera serios inconvenientes para lograr una adecuada y efectiva lubricación del herramental neumático. En la Figura 44 se observa una instalación del tipo desplazable, con mangueras espiraladas.

Conexión con unidad FRL desplazable y mangueras espiraladas FIGURA 44 Una forma de resolver esta situación se logra a partir de la utilización de unidades de filtrado y regulación con el agregado de sistemas de inyección y conducción del aceite lubricante a través de tubos capilares, internos a las conducciones flexibles (mangueras), con los que se logra, evitando la dispersión del aceite, inyectar el lubricante puntualmente en la boca de entrada de la herramienta neumática.

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3.3.3.3.4.3-SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE AIRE COMPRIMIDO “BESTA POWER107

Sistema de anclaje y conexiones fijas y móviles del Besta Power FIGURA 45

” Este diseño particular de distribución del aire comprimido se realiza en conducciones estructurales presurizadas (a una presión máxima de 10 bar) de sección no circular y de aluminio de la que se desprenden “carros conectores” tanto fijos como móviles que permiten tareas con un mayor grado flexibilidad, ergonomía, ausencia en la formación de óxidos e importantes ahorros en energía, debido fundamentalmente a la casi inexistencia de escapes o fugas de fluido. En las Figuras 45, 46 y 47 se muestran distintos tipos de conexiones y su aplicación en una línea de montaje en la industria automotriz.

Módulo Deslizante Porta Herramientas para Líneas de Montaje FIGURA 46

107 La empresa Besta SA, 100% sociedad filial del consorcio Bachofen Holding SA, fue fundada en el año 1966. BESTA tiene su base de desarrollo y producción en Uster - Suiza. (www.bestapower.com)

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Sistema de Distribución “Besta Power” instalado en una Línea de Montaje FIGURA 47 3.3.3.3.4.4-CONSUMO DE AIRE COMPRIMIDO DE DIVERSAS HERRAMIENTAS NEUMATICAS Con el objeto de orientar al lector, respecto a los caudales consumidos por diversas herramientas neumáticas, se dan los siguientes valores de referencia, a saber: Tipo de Máquina Consumo aproximado [N litros/minuto-ANR-] Llaves de impacto 500 – 2000 (Con conexiones de DN 3/8” a 11/2”) Taladros 500 – 1000 (Para brocas de diámetro 6 a 15 mm.) Atornilladores 350 – 700 (Para medidas varias) Amoladoras 800 – 900 (Para diámetro de piedra = 150 mm.) Colchones de Aire 240 – 6000 (Para cargas de 300 a 40.000 kg.) Los valores de consumo indicados son aproximados. Para el diseño de una determinada instalación el ingeniero deberá consultar con el proveedor-fabricante de los equipos el verdadero consumo y demás requerimientos (presión, calidad del fluido, etc.) que el herramental neumático exigirá para cumplir con el objetivo esperado.