13 INTRODUCCION A LA AUTOMACION NEUMATICA - EL AIRE COMPRIMIDO.pdf

Universidad Nacional de Tucumán INSTITUTO TÉCNICO SECCION MECÁNICA

GUIA DE TRABAJOS PRACTICOS

INTRODUCCION A LA AUTOMACION NEUMATICA

EL AIRE COMPRIMIDO

ING JOSÉ FRANCISCO MORENO DÍAZ T.M.E. GUILLERMO ALBERTO RIVADEO T.M.E. AMERICO MARCELO MARCHIANO

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Concepto de automatización: El hombre desde los albores de la historia ha intentado poner diversas máquinas a

su servicio con el objeto de lograr que lo producido por éstas sea de mejor calidad, elaborado con mayor cantidad y menos esfuerzo físico, minimizando el riesgo de accidentes y por ende a un costo menor. Siempre interviene para dar la orden de puesta en marcha. Según sea el grado de su intervención, se obtiene un mayor o menor nivel de automatismo.

En la primera escala, se puede colocar un operador que actúa directamente sobre un pulsador o válvula que a su vez actúa sobre un cilindro neumático para lograr un desplazamiento con una determinada fuerza. En este caso toda la responsabilidad de la decisión recae sobre el operador.

Ascendiendo en la escala, hasta que mediante un conjunto de recursos tecnológicos íntegramente automatizado, se puede anular totalmente la intervención humana durante la ejecución de un proceso, logrando así la automación total.

Desde el punto de vista técnico podemos definir la automatización como el conjunto de recursos tecnológicos tendientes a lograr que una serie de funciones, operaciones o actos se realicen en una determinada secuencia sin la intervención humana.

Estudiaremos en este curso aquellos aspectos de la automación referidos a la neumática. Participación de la Neumática:

Para operar el conjunto de recursos tecnológicos que origine una automatización, es necesaria alguna forma de energía. Entre una de ellas está la neumática, que será nuestro tema de estudio juntamente con los componentes. Si bien la utilización de aire comprimido como fuente energética es relativamente cara, podría llegar a suponerse que los costos de producción, acumulación y distribución involucran gastos elevados. Esto no es exacto, pues en el cálculo de rentabilidad de una instalación, no solo debe tenerse en cuenta el costo energético y los gastos de instalación, sino también los ahorros de mano de obra, los gastos de mantenimiento y el aumento de producción logrado, resultando finalmente que el costo energético resulta despreciable y las inversiones de instalación fácilmente amortizables.

La gran difusión en el proceso de automatización neumática principalmente se basa en el aire comprimido, cuyos aspectos más sobresalientes son:

Obtención: Puede generarse sin limitaciones ya que la materia prima no tiene costo ni límite. Distribución: Fácil transporte y no es necesaria su recuperación. Acumulación: Puede almacenarse mediante el empleo de depósitos acumuladores. Flexible: Admite variaciones de temperatura considerables y su empleo es bastante flexible. Antiexplosiva: Permite ser utilizada en ambientes calificados como inflamables o explosivos. Ambiente: No afecta al medio ambiente, caso industria alimenticia, industrias con polvo, etc. Componentes: Los componentes de utilización son de costo moderado y de fácil aplicación. Utilización: Admite altas velocidades de trabajo, regulación de fuerzas sin escalonamientos y sin perjuicios por bloqueos o detenciones forzosas por sobrecarga.

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Algunas de las limitaciones que en muchos casos definen su campo de aplicación, son: Compresibilidad: Esta característica impide obtener velocidades constantes frente a resistencias variables. Fuerzas: Limitaciones prácticas de aproximadamente 35.000 Newton (3.500 Kg.) en forma directa.

Nota: Debe recordar los siguientes conceptos: Sistemas de unidades, fuerza, trabajo, potencia, presión, presión relativa y absoluta, temperatura, masa, velocidad, aceleración, caudal, leyes de Boyle-Mariotte, Gay Lussac, ecuación general de estado de los gases perfectos y reales, humedad absoluta y relativa.

Aire libre.

Las cantidades de Nl/min. que se dan generalmente en los catálogos para el consumo de herramientas o equipos neumáticos, se refiere a aire libre por minuto (aire atmosférico a la presión y temperatura normales). Debemos asegurarnos que el dato sobre la capacidad del compresor que da el fabricante esté también referido al aire libre, con el objeto de que exista una correspondencia entre consumo y capacidad. Normalmente, estas dos especificaciones están dadas en aire libre, y por lo tanto no hace falta ninguna conversión. Sin embargo, cuando se trata de consumo de aire de otros equipos, es posible que no esté dado en aire libre; entonces deberá recurrirse a la fórmula para la conversión de litros de aire comprimido a una presión determinada en litros de aire libre, siendo:

Q = Q1 x (p +1,013) / 1,013 donde : Q = litros de aire libre por minuto. Q1= litros de aire comprimido por minuto. p = presión del aire comprimido en bar.

Aire comprimido. En los sistemas de aire comprimido, el aire aspirado por el compresor entra a la

presión y temperatura ambiente con su consiguiente humedad relativa. Entonces se lo comprime a una presión más elevada lo que produce un calentamiento del aire al grado que toda su humedad pasará por el compresor al ser aspirado. Este aire, ahora comprimido, al ir enfriándose en el depósito y tuberías de distribución hasta igualar la temperatura ambiente, condensará parte de su humedad en forma de gotas de agua.

Para determinar la cantidad de condensado en un sistema neumático, pude utilizarse el gráfico de la fig., con la ayuda de la fórmula:

C= 7,2 x10-4 x G x φ x (Xsi - Xsf) donde: C= Condensados (l/h). G= Caudal nominal aspirado por el compresor (Nm3/min.) φ= % de servicio en carga del compresor = Tiempo en carga / T en maniobra en %. Xsi = Humedad absoluta del aire aspirado (g / Kg. aire seco). Xsf = Humedad absoluta del aire comprimido (g / kg. aire seco).

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Parte del condensado podrá ser separado en el depósito o en los equipos separadores, siendo eliminado del sistema y parte arrastrado y transportado en fase líquida, niebla o microgota hacia los puntos de utilización, verificándose:

Condensados = Separados + Arrastre

La cantidad de separados y arrastres dependerá de la eficiencia de los equipos de tratamiento de aire incorporados a la línea. Estas condensaciones juntamente con condensados de aceites degradados provenientes del compresor, partículas metálicas producto de su desgaste, así como óxidos metálicos desprendidos de las cañerías y polvo atmosférico, serán arrastradas por el flujo de aire hacia los puntos de utilización, constituyendo en la fuente principal de deterioro de los componentes neumáticos.

Por lo expuesto se concluye que el aire comprimido tal como sale del depósito del compresor no es apto para ser utilizado en equipos neumáticos, debiendoselo tratar previamente.

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Generación del aire comprimido y su tratamiento: Compresores:

Son máquinas que aspiran el aire ambiente a presión atmosférica para conferirle una presión superior. Existen varios tipos de compresores, dependiendo la elección de las necesidades y características de su utilización.

A continuación se describen los tipos de compresores utilizados con mayor frecuencia:

Axial

Radial

Roots

A tornillo

A paletas

A diafragma

A pistón

Rotativos

Alternativos

Desplazamiento variable (turbocompresores)

Desplazamiento fijo

Tipos de compresores

Compresores alternativos Compresor alternativo a pistón:

Se logra la compresión mediante el movimiento alternativo de un pistón accionado por un mecanismo biela-manivela. Las válvulas de admisión y escape se abren respectivamente en las carreras de descenso y ascenso del pistón, permitiendo el ingreso y la evacuación del aire. Pueden construirse en más de una etapa de compresión para mejorar el rendimiento. Hasta 3 a 4 bar – 1 etapa

8 a 10 bar – 2 etapas + de 10 bar – 3 o más etapas.

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Compresor a membrana: Son de construcción sencilla y consisten en

una membrana accionada por una biela montada sobre un eje motor excéntrico; de este modo se obtiene un movimiento de vaivén de la membrana con la consiguiente variación del volumen de la cámara de compresión en donde se encuentran alojadas las válvulas de admisión y descarga. Permiten la producción de aire comprimido exento de aceite. Son utilizados en medicina y en ciertos procesos químicos donde se requiera aire de gran pureza. Compresor rotativo a tornillo (helicoidales):

La compresión se efectúa por dos rotores helicoidales engranados (uno macho y otro hembra) contenidos en una carcaza. Durante la rotación, los lóbulos del macho se van introduciendo en los huecos de la hembra, desplazando el aire axialmente y disminuyendo su volumen. El aire ingresa por un extremo y es evacuado por el otro en sentido axial. Compresor rotativo a paletas:

Consta de una carcaza cilíndrica en cuyo interior se monta un rotor excéntrico, formado por una cámara de trabajo en forma de media luna. Esta cámara queda dividida en secciones por paletas deslizantes en ranuras radiales de rotor. Cada división va variando su volumen durante el giro, yendo desde un máximo en la sección de aspiración hasta un mínimo en el escape. Compresores Roots:

Solo transportan el volumen de aire aspirado en el lado de aspiración hacia el lado de compresión sin comprimirlo en este recorrido. No hay reducción de volumen y por lo tanto tampoco existe aumento de presión. El volumen que llega a la boca de descarga, todavía con la presión de aspiración, se mezcla con el aire ya comprimido de la tubería de descarga y se introduce en la cámara llegando ésta a la presión máxima siendo luego expulsado. Un juego de engranajes acciona los rotores en forma sincronizada y evita que se rocen entre sí. Resultan apropiados cuando se requiere aire comprimido a bajas presiones (hasta 1,5 bar) y completamente libre de rastros de lubricante.

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Turbocompresores Funcionan bajo el principio de la dinámica de los fluidos, en donde el aumento de

presión no se obtiene a través del desplazamiento y reducción de volumen sino por efectos dinámicos del aire. Compresores radiales:

Se basan en el principio de la compresión del aire por fuerza centrífuga y constan de un rotor centrífugo que gira dentro de una cámara espiral, tomando el aire en sentido axial y arrojándolo a gran velocidad en sentido radial. La fuerza centrífuga que actúa sobre el aire lo comprime contra la cámara de compresión. Pueden ser de una o varias etapas de compresión consecutivas, alcanzándose presiones de 8 bar y caudales entre 10.000 y 200.000 Nm3/h. . Son máquinas de alta velocidad, siendo esta un factor fundamental en el funcionamiento ya que está basado en principios dinámicos, siendo la velocidad de rotación del orden de las 15.000 a 20.000 r.p.m. y aún más. Compresores axiales:

Se basan en el principio de la compresión axial y consisten en una serie de rodetes consecutivos con álabes que comprimen el aire. Se construyen hasta de 20 etapas de compresión (20 rodetes). El campo de aplicación de este tipo de compresor alcanza caudales desde los 200.000 a 500.000 Nm3/h y presiones de 5 bar, raramente utilizados en neumática industrial. Regulación de compresores alternativos:

En la práctica el consumo de aire comprimido resulta muy variable a causa de la multiplicidad e intermitencia del uso que se hace del mismo. Ahora bien, en los compresores de desplazamiento fijo el caudal depende casi exclusivamente de la velocidad de rotación. Siendo ésta en la práctica constante (motor eléctrico de una sola velocidad), también lo será el caudal y por lo tanto tendremos en determinado momento un exceso de generación. Deberíamos por lo tanto tener la posibilidad de almacenar este aire producido en exceso. Esto se realiza mediante un depósito de acumulación pero solo puede hacerse en un período limitado, hasta alcanzar la presión máxima admisible por el compresor o el acumulador. Será entonces necesario recurrir a métodos de regulación que interrumpan la generación una vez alcanzado dicho nivel máximo o la presión establecida para el sistema. Sistema de marcha y parada:

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El compresor funciona a intervalos intermitentes y se detiene cuando en el depósito se alcanza la presión máxima o presión de corte. A partir de ese instante el consumo es satisfecho por el aire acumulado en el depósito hasta que en el mismo la presión llegue a


un valor mínimo admisible de regulación (presión de arranque), momento en que vuelve a arrancar para cubrir la demanda. Es el sistema de regulación más económico y el más difundido para pequeñas máquinas. No puede utilizarse cuando el consumo sea tal que el compresor deba arrancar y parar continuamente, pues tanto el motor como su contactor admiten un número limitado de maniobras horarias (10 a 15 como máximo), determinadas por el calentamiento o desgaste de los mismos. La señal de arranque y parada se obtiene a través de un presostato regulado entre las presiones máxima y mínima, enviando una señal eléctrica al contactor del motor, el que ordena su marcha o parada. Sistema de marcha en vacío:

El compresor con este sistema está continuamente en marcha, pero alterna períodos en que comprime con períodos en que el aire es aspirado y expulsado por la misma válvula de aspiración. Esto se consigue abriendo la o las válvulas de admisión. El aire aspirado en la carrera descendente del pistón es nuevamente descargado en la atmósfera en la carrera ascendente. La apertura de la válvula de admisión se obtiene a través de un mecanismo abreválvulas accionado por un pequeño pistón o una membrana ubicados en la cabeza de los cilindros. Este sistema es gobernado por una señal neumática proveniente de una electroválvula actuada por un presostato en función de la presión del deposito. La frecuencia del ciclo carga-vacío puede ser elevada sin causar daños al compresor y al motor eléctrico. El compresor durante su marcha en vacío consume entre el 10 y 15 % del consumo a plena carga.

Otro sistema de marcha en vacío menos utilizado consiste en cerrar el conducto de aspiración del compresor, lo que conduce a un recalentamiento del mismo, solo aplicable a máquinas de pequeña potencia. Rendimiento volumétrico de un compresor:

Es el cociente entre el volumen de aire aspirado por el compresor (reducido a la presión y temperatura externa) y el volumen de cilindrada (generado por la carrera del pistón). A primera vista este rendimiento debería ser del 100%, pero veremos que esto no ocurre debido a: a) El aire que entra en el cilindro se calienta y aumenta su volumen. b) La presión de aspiración debe ser necesariamente inferior a la atmosférica para permitir al

aire entrar al cilindro. c) El cierre de la válvula no es instantáneo, permitiendo fugas de aire. d) Pueden verificarse fugas a través de los aros del pistón y válvulas aún cerradas. e) Presencia de un espacio nocivo al final de la carrera de compresión.

El aire comprimido en este espacio nocivo se expande dentro del cilindro en la carrera de aspiración, disminuyendo el volumen de aire realmente aspirado. Considerando solo el último punto y para una compresión isotérmica, se llega a:

ηv = 1 - m (P2 / P1 - 1) ηv : Rendimiento volumétrico teórico. m : Coeficiente de espacio nocivo = volumen espacio nocivo/ volumen cilindrada. P2: Presión absoluta de compresión. P1: Presión absoluta de aspiración.

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Este rendimiento se anularía para presiones efectivas, tal que (P2/P1 - 1) = 1/ m, sin embargo en la práctica ello no ocurre pues la compresión no es isotérmica, anulándose para valores más elevados de la presión. La disminución del ηv con el aumento de presión explica la razón por la cual no deben obtenerse presiones elevadas en una sola etapa de compresión en forma rentable. El valor de ηv disminuye aún más en máquinas desgastadas, pues pueden verificarse fugas a través de los aros del pistón y válvulas aún cerradas. Al adquirir un compresor será necesario comprobar que la capacidad indicada en la placa sea la real y no la teórica.

C real = ηv. C teórica Depósito de aire comprimido:

Las funciones principales del depósito o acumulador son: 1. Obtener una considerable acumulación de

energía para afrontar “picos” de consumo que superen la capacidad del compresor.

2. Contribuir al enfriamiento del aire comprimido y la disminución de su velocidad, actuando así como separador de condensado y aceite proveniente del compresor.

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

4. Permitir la regulación del compresor compensando las diferencias entre el caudal generado y el consumido, los cuales normalmente trabajan con regímenes diferentes.

Su capacidad dependerá de:

1. Las características de la demanda de aire en la red. Esta puede ser: Constante

Intermitente Instantánea

2. Del sistema de regulación que tenga el compresor. Esto determina el numero máximo de

maniobras horarias: normalmente 10 cuando es por marcha y parada, 60 o más cuando es por carga y vacío.

3. De la amplitud del rango de presiones dentro del cual regula el compresor (∆P de regulación): normalmente 0,8 - 1 bar con regulación por marcha y parada, y 0,3 - 0,5 bar con regulación por carga y vacío.

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El ábaco de la fig. permite calcular el volumen del depósito en función de las variables mencionadas para una demanda del tipo constante. Su construcción podrá ser horizontal o vertical, prefiriéndose estos últimos por el menor espacio ocupado.

El depósito deberá ubicarse en un lugar fresco, lo más cerca posible del compresor, preferentemente fuera del edificio, donde pueda disipar parte del calor producido en la compresión.

El depósito debe ser firmemente anclado al piso para evitar vibraciones debidas a las pulsaciones del aire.

Los accesorios mínimos que

deberán incluir son: 1 - Válvula de seguridad. 2 - Manómetro. 3 - Grifo de purga. 4 - Boca de inspección.

La válvula de seguridad debe ser regulada a no más del 10% por encima de la presión de trabajo y deberá poder descargar el total del caudal generado por el compresor. Deberá contar además con un dispositivo de accionamiento manual para probar periódicamente su funcionamiento. .

Cuando el tanque se instala en el exterior y existe el peligro de temperatura por debajo de 0 ºC., el manómetro y la válvula de seguridad, deben conectarse con tuberías para ubicarlos en el interior. Estas tuberías deben tener pendiente hacia el depósito para que sean autodrenantes. Nunca instale válvulas de bloqueo entre el depósito y la válvula de seguridad pues lo prohíben los reglamentos.

En los tamaños pequeños la inspección se realizará por medio de

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una simple boca bridada de 100 a 150 mm. de diámetro; en los tamaños mayores estas bocas serán del tipo “entrada de hombre” (460 a 508 mm.).

Las cañerías para el control (regulación) deben ser conectadas al depósito en un punto donde el aire sea lo más seco posible. Es importante que ésta esté provista de un filtro con válvula de purga para permitir drenar el agua y aceite acumulado y asegurar un perfecto funcionamiento del sistema de regulación.

Instale un regulador de presión que permita independizar la presión de trabajo del compresor de aquella con la que operan los sistemas de regulación (normalmente 4 - 6 bar). En algunas instalaciones el presostato de regulación y la electroválvula que comanda el dispositivo de regulación (abreválvulas), se ubican cerca del depósito; en otros casos, estos elementos forman parte de un tablero de control general.

Cuando se instale una válvula de cierre en alguna de estas cañerías, deberá tenerse especial cuidado de que el compresor este desconectado mientras la válvula esté cerrada.

Debe tenerse presente que el depósito constituye un elemento sometido a presión y por lo tanto existen regulaciones oficiales respecto a sus características constructivas. Existen, además normas y códigos que regulan su cálculo, diseño, fabricación y ensayos. Determinación de la capacidad de los compresores:

La capacidad de los mismos puede determinarse aplicando el siguiente

procedimiento: 1. Determinar el consumo específico de todas las herramientas o equipos de la planta que

consuman aire comprimido en Nm3/min. 2. Multiplicar dichos consumos por el coeficiente de utilización individual, que es el tiempo

del equipo funcionando en relación al tiempo total de un ciclo completo de trabajo o el porcentaje del tiempo utilizado sobre una hora de trabajo.

3. Sumar dichos resultados, 4. Agregar entre un 5 a 10% del valor computado en 3), para totalizar las pérdidas por fugas

en el sistema. 5. Adicionar un cierto porcentaje para contemplar la posibilidad de futuras ampliaciones,

muy importante ya que de otro modo las posibilidades del sistema serán rápidamente superadas.

El resultado así obtenido (Qn) deberá ser cubierto por la capacidad del o de los

compresores (Qc) que si bien podrían llegar a funcionar con un coeficiente de demanda del 100%, esto implicaría la marcha continua del compresor. Por lo tanto elegiremos el mismo para un coeficiente de demanda del 80% obteniendo la capacidad del compresor dividiendo el valor de Qn antes hallado por el valor 0,8 (80%) antes mencionado, resultando:

Qc = Qn / 0.8 = 1,25 Qn

Si se desea una elección más conservadora, pude realizarse el cálculo con un coeficiente de demanda del 70%, resultando:

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

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Distribución del aire comprimido Redes de distribución:

El trazado de éstas se realizará considerando: 1. Ubicación en los puntos de consumo. 2. Ubicación de las máquinas. 3. Configuración del edificio. 4. Actividades dentro de la planta industrial.

Y teniendo en cuenta los siguientes principios: a) Trazado de las tuberías de modo de elegir los recorridos más cortos y tratando que en

general sea lo más recta posible, evitando los cambios bruscos de dirección, las reducciones de sección, las curvas, piezas en T, etc., con el objeto de producir una menor pérdida de carga.

b) En lo posible tratar que el montaje de la misma sea aéreo, esto facilita la inspección y el mantenimiento. Evitar las tuberías subterráneas, pues no son prácticas en ningún sentido.

c) En el montaje contemplar que puedan desarrollarse variaciones de longitud producidas por dilatación térmica, sin deformaciones ni tensiones.

d) Evitar que la tubería se entremezcle con conducciones eléctricas, de vapor, gas u otras. e) Dimensionar generosamente las mismas para atender una futura demanda sin excesiva

pérdida de carga. f) Inclinar las tuberías ligeramente (3%) en el sentido del flujo de aire y colocar en los

extremos bajos, ramales de bajada con purga manual o automática. Esto evita la acumulación de condensado en las líneas.

g) Colocar válvulas de paso en los ramales principales y secundarios. Esto facilita la reparación y mantenimiento sin poner fuera de servicio toda la instalación.

h) Las tomas de aire de servicio o bajantes nunca deben hacerse desde la parte inferior de la tubería sino por la parte superior afín de evitar que los condensados puedan ser recogidos por ésta y llevados a los equipos neumáticos conectados a la misma.

i) Las formas y conexiones en las bajantes se realizarán lateralmente colocando en su parte inferior un grifo de purga o un drenaje automático.

j) Atender a las necesidades de tratamiento del aire, viendo si es necesario un secado total o sólo parcial del aire.

k) Prever la utilización de filtros, reguladores y lubricadores (FRL) en las tomas de servicio.

Considerando los puntos antes mencionados, el tendido de la red podrá hacerse según dos disposiciones diferentes:

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a) En circuito cerrado o abierto cuando se le haga tratamiento de secado al aire a la salida del compresor.

b) En circuito abierto cuando no se haga tal tratamiento.

Es de mencionar que cuando el circuito es cerrado la pendiente en los conductos es

nula puesto que es incierto el sentido de circulación, ya que éste dependerá de los consumos y por lo tanto la pendiente carece de sentido. Por tal razón sólo se utiliza el circuito cerrado cuando se trata el aire a la salida del compresor con equipos secadores, según veremos más adelante. Cálculo de tuberías: 1. Tubería principal: Es aquella que sale del depósito y conduce la totalidad del caudal de

aire comprimido. Velocidad máxima recomendada = 8 m/seg.. 2. Tuberías secundarias: Son aquellas que se derivan de la principal, se distribuyen por

las áreas de trabajo y de la cual se desprenden las tuberías de servicio. Velocidad máxima recomendada = 10 a 15 m/seg..

3. Tuberías de servicio: Se desprenden de las secundarias y son las que alimentan a los equipos neumáticos. Velocidad máxima recomendada = 15 a 20 m/seg..

Para su cálculo será necesario

tener en cuenta: a) La presión de servicio. b) El caudal en Nm3/min. c) Las pérdidas de carga: ésta es una

pérdida de energía que se va originando en el aire comprimido ante los diferentes obstáculos que se presentan en su recorrido hacia los puntos de utilización. La pérdida de carga admisible en las bocas de utilización no debe ser mayor que el 3% de la presión máxima del depósito.

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La pérdida de presión o pérdida de carga se origina de dos maneras: 1. Pérdida de carga en tramos rectos producida por el rozamiento del aire comprimido

contra las paredes del tubo. 2. Pérdida de carga en accesorios originada en curvas, T, válvulas etc. de la tubería. Las primeras pueden ser calculadas con la siguiente fórmula:

∆P = (β / R . T) (v² / D) . L . p Donde : ∆P = Caída de presión (bar). p = Presión de trabajo (bar) R = Constante del gas = 29,27 para el aire. T = Temperatura absoluta (t ºC + 273) D = Diámetro interior de la tubería (mm.) L = Longitud del tramo recto (m.) v = Velocidad del aire (m/seg.) β = Índice de resistencia que depende de la rugosidad del tubo y del caudal circulante.

Dicha fórmula se encuentra resuelta en la gráfica de la fig.

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Las segundas las evaluamos a través del concepto de longitud equivalente. Es decir igualamos la pérdida en el accesorio con la pérdida de carga producida en un tramo recto de cañería de longitud igual a la longitud equivalente del accesorio. Esta longitud deberá ser sumada a la longitud original (L) del tramo recto.

La tabla muestra la longitud equivalente de diversos accesorios de cañerías en función del diámetro.

ELEMENTO INTERCALADO EN TUBERÍAS 1/4 3/8 1/2 3/4 1” 1 ¼” 1 ½” 2” Válvula esclusa (totalmente abierta) 0,09 0,09 0,1 0,13 0,17 0,22 0,26 0,33

“T” (paso recto) 0,15 0,15 0,21 0,33 0,45 0,54 0,67 0,91 “T” (paso a derivación) 0,76 0,76 1 1,28 1,61 2,13 2,46 3,16

Curva 90º 0,42 0,42 0,52 0,64 0,79 1,06 1,24 1,58 Curva 45º 0,15 0,15 0,23 0,29 0,37 0,48 0,57 0,73

Válvula globo ( totalmente abierta) 4,26 4,26 5,66 7,04 8,96 11,76 13,77 17,67 Válvula angular ( totalmente abierta) 2,43 2,43 2,83 3,50 4,48 5,88 6,88 8,83

Ejemplos de cálculo de cañerías

Calcular el diámetro de un tramo recto de cañería de 100 m de longitud por el que circulan 3 Nm3/min a 7 bar, siendo la pérdida de carga admisible AP=3 % de P1.

∆P=3% x 7bar = O,21 bar

La pérdida de carga por unidad de longitud será:

0,21 bar / 100 m = 0,0021 bar / m.

Entrando al gráfico por su parte superior con P1 = 7 bar, trazamos una vertical hasta interceptarlo con una horizontal proveniente de la escala de caudales de la derecha con Q = 3 Nm3 / min (punto A en el diagrama). Por dicho punto trazamos una paralela a las líneas oblicuas hasta interceptarla con la vertical levantada desde el valor de la pérdida de carga por unidad de longitud ∆P=0,0021 bar / m (punto B del diagrama). Proyectando dicho punto hacía la escala de la Izquierda obtenemos en ella el diámetro de la cañería = 1 ¼”.

Supongamos que la misma cañería no fuera recta y tuviera ahora montados accesorios como ser una válvula esclusa abierta, 7 curvas a 900 y una T en derivación.

Con el valor del diámetro de la tubería calculamos las longitudes equivalentes de los accesorios.

Componente cantidad Mts. equivalente

Total por componente

Válvula esclusa 1 0,22 0,22 Curva 90º 7 1 7

T en derivación 1 2,13 2,13 Long. Equival. total 9,35

Longitud total a considerar:

Cañería recta: 100m Long. equivalente: 9,35 m Longitud total: 109,35 m

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Con lo que la pérdida total de carga resultará:

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

Como vemos el incremento de pérdida de carga producida en accesorios es pequeña cuando se trata de cañerías de gran longitud y el número de los accesorios no es muy grande.

Consideremos ahora el mismo caudal circulante y la misma presión pero para una cañería de 10 m con la misma pérdida de carga total, ∆P = 0,21 bar

La pérdida por unidad de longitud será:

0,21 / 10 = 0,021 bar / m

Yendo al gráfico vemos que corresponde a una cañería de φ = ¾”. Considerando ahora los mismos accesorios:

Componente cantidad Mts. equivalente

Total por componente

Válvula esclusa 1 0,13 0,13 Curva 90º 7 0,64 4,48 T en derivación 1 1,28 1,28

Long. Equival. total 5,89

Longitud total a considerar ahora:

Longitud recta: 10 m Long. equivalente: 5,89 m Longitud total: 15,89 m

Con lo que la pérdida de carga total resultará:

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

Tenemos un aumento de pérdida de carga del 60 % aproximadamente. con lo que verificamos que la influencia sobre las pérdidas de carga en accesorios es realmente notable en cañerías cortas aún no siendo el número de éstos excesivamente grande. Tratamiento del aire comprimido

La fuente principal de deterioro de los componentes neumáticos es la utilización de aire comprimido no acondicionado adecuadamente. Las impurezas más frecuentes son los condensados producto de la humedad ambiente (incorporados al sistema por el compresor), condensados de aceites degradados del compresor, partículas metálicas provenientes de su desgaste, así como óxidos metálicos desprendidos de las cañerías y polvo atmosférico. Dichas impurezas serán arrastradas por el flujo de aire hacia los puntos de utilización provocando errores de medición en equipos de control, obturaciones de pequeños orificios,

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oxidaciones de partes internas en equipos, atascamientos o desgastes prematuros en órganos móviles y en definitiva, menor rendimiento de la instalación. De lo visto se concluye que no es aconsejable utilizar en equipos neumáticos el aire comprimido tal como sale del compresor, siendo preciso un tratamiento acorde a los requerimientos de la instalación, pudiéndose distinguir tres formas de realizarlo: I. A la salida del compresor.

a) Refrigeradores aire-aire o aire-agua.

II. A la salida del depósito.

a) Secadores frigoríficos. b) Secadores por adsorción. c) Secadores por absorción. d) Secadores centrífugos.

III. En las bocas de utilización.

a) Filtros. b) Reguladores de presión. c) Lubricadores. d) Unidades de mantenimiento.

Tratamiento del aire comprimido a la salida del compresor Refrigeradores aire-aire y aire-agua:

Consisten en general de un serpentín o un haz tubular por donde circula el aire comprimido, circulando el flujo refrigerante (aire o agua) en contracorriente por el exterior. En el extremo final se ubica un colector en donde se recogen los condensados ( de un 70 a 80%) producidos durante la refrigeración, la que lleva el aire hasta unos 25 ºC. Son generalmente suficientes en la mayoría de las aplicaciones, siempre que la instalación este provista de equipos de tratamiento en los puntos de utilización.

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Tratamiento del aire comprimido a la salida del depósito Secadores frigoríficos:

El aire a secar pasa por un intercambiador de calor donde se lo enfría por la acción del fluido refrigerante de un ciclo frigorífico colocándose a la salida del intercambiador un separador-colector de condensados. Con estos equipos se obtienen temperaturas del aire del orden de los 2ºC y el aire obtenido puede llamarse ¨prácticamente seco¨.

Secadores por adsorción:

El secado se realiza en un tanque cargado con un adsorbente sólido de elevada porosidad, tales como sílicagel, alúmina activa, carbón activado, etc.. Estas sustancias se saturan y deben ser regeneradas periódicamente mediante un adecuado proceso de reactivación. Para ampliar su función, estos secadores están constituidos por dos torres iguales con la respectiva carga adsorbente, funcionando alternativamente una mientras la otra pasa a etapa de regeneración. El aire obtenido en estos equipos es extremadamente seco.

Secadores por absorción:

Se utilizan pastillas desecantes de composición química y granulado sólido altamente higroscópico, las que se licuan al ir reteniendo el vapor de agua contenido en el flujo de aire a secar. Son de menor costo que otros secadores pero la calidad del aire obtenido es inferior. Periódicamente se debe reponer la carga del producto químico empleado. Separadores centrífugos:

Se trata de direccionar el flujo de aire por unos deflectores que le imprimen un movimiento circular, originándose una fuerza centrífuga que obliga a las partículas líquidas e impurezas a adherirse a la pared, decantando a la parte inferior donde existe un grifo de purga. Son equipos de bajo costo pero su rendimiento decrece con bajos consumos.

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Tratamiento del aire comprimido en los puntos de utilización Filtros:

La colocación de filtros en las bocas de utilización es indispensable en toda instalación correctamente concebida, aún cuando se haga tratamiento del aire a la salida del compresor o del depósito, pues esto no impedirá la llegada a los puntos de consumo de partículas y condensados recogidos en las tuberías de la red. En realidad, más que un simple elemento filtrante, es la combinación de éste con un separador centrífugo.

Consta de un deflector que imprime al aire un movimiento ciclónico que hace adherir a las paredes del vaso las partículas y gotas, las que son recogidas en la parte inferior y deben ser periódicamente evacuadas. Una serie de pantallas y campanas aumentan la efectividad de la separación.

En cuanto al elemento filtrante en sí, pueden construirse en bronce sinterizado, malla metálica, filtros cerámicos microporosos, etc.. La capacidad de filtrado se expresa en micrones, indicando el tamaño de la mínima partícula capaz de retener y su elección dependerá de la calidad del aire requerido (5, 30, 50µ, etc.). El drenaje de los condensados del vaso podrá realizarse en forma manual o automática, pudiendo ser ésta última:

• Por flotador: Un flotante permite la descarga cuando en el vaso se alcance el nivel

máximo. • Por descenso de presión: Al suprimir la presión en la red automáticamente se abre la

descarga. • Servocomandada por acción piloto: La válvula de drenaje se abre al suministrar una

señal piloto.

En los casos en que se requiera aire extremadamente seco puede recurrirse a filtros adsorbentes colocados en serie después de un filtro convencional, pudiendo montarse más de uno según las necesidades.

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Reguladores de presión: Resultaría poco adecuado operar los equipos neumáticos directamente con la presión

de línea, ya que no podría evitarse que lleguen las pulsaciones producidas por el compresor y las fluctuaciones de presión entre la máxima de parada o vacío y la mínima de arranque del mismo. De lo expuesto se deducen las funciones del regulador de presión: • Mantener una presión de trabajo en los equipos, constante

e independiente del consumo y de la presión de línea. • Evitar un consumo inútil por exceso de presión en los

equipos. • Independizar los distintos equipos instalados. Según su accionamiento, se clasifican en: • De comando directo. • De comando asistido.

En los primeros, la acción del tornillo de regulación se efectúa directamente sobre el resorte de contrapresión, con lo que la acción se torna áspera e insensible a presiones elevadas. En los segundos, el tornillo de regulación actúa directamente sobre los resortes, siendo asistido por la misma presión regulada actualmente sobre el pistón o la membrana, con la cual se obtiene mayor suavidad y sensibilidad en el tornillo de regulación, como así también mejor respuesta a los cambios de presión. Lubricadores:

Al operar con herramientas neumáticas cilindros, válvulas u otros equipos accionados por aire comprimido, es necesario inyectar lubricante al aire para evitar deterioros provocados por la fricción y la corrosión, aumentando así la vida útil del equipo y reduciendo los costos de repuestos y mantenimiento. La función del lubricador es atomizar el aceite por efecto Venturi, formando una neblina que es arrastrada por el flujo de aire hasta el equipo y reduciendo los costos de repuestos y mantenimiento. La función del lubricador es atomizar el aceite por efecto Venturi, formando una neblina que es arrastrada por el flujo de aire hasta el equipo, cubriendo las superficies en contacto con una fina capa protectora de lubricante.

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Unidades de mantenimiento:

Formadas por la combinación de los elementos descriptos en los puntos anteriores, siendo las más comunes las de la figura.

La instalación de brida intermedia permite la instalación de manómetros en la mayoría de las marcas.

El equipo seleccionado dependerá de las necesidades en la provisión de aire a la máquina específica.

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13 INTRODUCCION A LA AUTOMACION NEUMATICA - EL AIRE COMPRIMIDO.pdf