Seminario de Aire Comprimido_cap1

7/23/2019 Seminario de Aire Comprimido_cap1

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1. Fundamentos de Aire Comprimido

1.1 Aire comprimido antes y hoy

1.2 Unidades y Símbolos

1.3 Estado Térmico1.3.1 Temperatura y capacidad calorífica1.3.2 Presión

1.3.3 Volumen

1.4 Información Importante sobre el AireComprimido

1.4.1 Del aire atmosférico al aire comprimido1.4.2 Las leyes del gas1.4.3 Especificaciones de Volumen1.4.4 Cambio de estado termal en gases1.4.5 Aire comprimido en movimiento

1.5 Sonido



1.1 Aire comprimido antes y hoy

Desde el inicio, el aire comprimido ha sido esencial para la vidahumana. Los pulmones se pueden considerar como el primercompresor de desplazamiento. El volumen de los pulmones seagranda descomprimiendo el diafragma al inhalar y se reduceexhalando. La faringe restringe el flujo de aire, así el aire secomprime a una relación de 0,02 – 0,08 bar.

En la edad paleolítica, este flujo de aire comprimido se uso para encenderfuego, soplando cuando se forma el brillo friccionando madera.

Para fundir metales se requería una corriente de aire más fuerte paramantener la temperatura por encima de 1000°C. Para este fin se uso durante la edad de

bronce un bolso de fuelle; es decir, moviendo el fuelle con la mano o el pie para proveer elchorro de aire necesario para alcanzar temperaturas que funden metal. Este fuelle se puedeconsiderar como el primer compresor mecánico, reemplazando los pulmones como aparatopara levantar la temperatura del fuego.

Heron, un científico de Alejandría, durante elprimer siglo, fue el pionero en Ingeniería deaire comprimido. El inventó un mecanismo

que permitía mover las puertas del templode Alejandría. Usando los fuegos del templopara calentar el aire en un envase depresión semi-lleno con agua. El aireexpandiéndose desplazo al agua. Lafuerza del agua desplazada empujaba unmecanismo que abría las puertas deltemplo.

Otra aplicación importante del aire comprimido era un sistema de transporte de objetos. En1865 se instalo un sistema neumático en Berlín para transportar cartas y postales. En esta


Fig. 1-1 Human lungs

Fig. 1-3: Temple of Alexandria

Pressurevessel

Water tankDrive

Syphon

Chain



El aire comprimido es una herramienta esencial para la industria. Esta permite el transporte

de energía a través de distancias para convertirlo en trabajo en su destino o punto final.

Una de las fuentes más conocidas de aire comprimido son los compresores portátiles, cuyaaplicación es en la construcción de calles, en la construcción, en minas, y en talleres. Enestas aplicaciones los compresores portátiles proveenla potencia para herramientas de rompe pavimentos,aplicaciones de pinturas, y otras herramientasneumáticas.

Aire comprimido es indispensableen casi todos los procesos defabricación industrial. Normalmentela industria mantiene una sala decompresores donde se encuentranlos compresores y todos loselementos de tratamiento.Normalmente el aire comprimido essecado, filtrado, y almacenado enun tanque de presión. De estetanque se alimenta la red de airecomprimido. A través de esta red seprovee aire comprimido en unaforma eficiente a las herramientas,maquinas y estaciones de trabajoque requieren aire comprimido.

El aire comprimido es vital para una variedad de industrias incluyendo:

- Industria química- Productores de Energía- Hospitales

Fábricas de Madera

Fig. 1-4: CompresoresPortatiles

Fig. 1-5: Estación de Aire Comprimido




Ejemplos de Aplicaciones


SaludCalidad, confiabilidad, y bajos costos de operaciónson factores importantes en la selección de plantasde aire comprimido para hospitales y clínicas,suministrando aire en todas las habitaciones,maquinas de respiración y otros artefactos.

EmbotelladoraAire comprimido para el transporte es esencial parala industria alimenticia. Las normas de la industriaalimenticia requieren que el aire sea seco y filtrado.

Producción de botellas plásticas (PET)Se requiere aire seco y limpio con una presiónde 40 bar para producción PET.



Más ejemplos de aplicaciones


Deportes de InviernoCompresores de tornillo y compresores depistón proveen el aire comprimido requerido

por cañones de nieve. En estos cañones denieve se mezcla el aire con el agua para lanieve artificial que provee la superficie demuchas pistas.

Tratamiento de aguaSopladores de lóbulos de alta eficienciaproveen grandes volúmenes de airerequeridos por los estanques de oxigenación ypara desbloquear filtros.

Tratamiento DentalCompresores especiales proveen al dentista y suasistente con aire comprimido seco, higiénico, ylibre de aceite.



1 1.2 Unidades y símbolos

Dependiendo de las diferentes culturas, las unidades usadas varían. Las unidades devolumen, por ejemplo, usadas en Europa son litros o metros cúbicos, mientras que en losEEUU se usan pulgadas cúbicas, pies cúbicos y yardas cúbicas.

Las unidades y símbolos usados en este seminario siguen el sistema internacional SI, quedefine siete unidades de base y unidades derivadas de estos.

Antes de hablar de la generación del aire comprimido y sus aplicaciones en los siguientes

capítulos, es necesario definir algunas de estas unidades para evitar ambigüedades delenguaje.

Unidad Base Abreviación Símbolo Nombre

Distancia l [m] metro

Masa m [kg] Kilogramo

Tiempo t [s] segundoElectricidad I [A] Ampere

Temperatura T [K] Kelvin

Intensidad de luz L [cd] candela

Cantidad desustancia n [mol] mole numero

Derivativo Abreviación Símbolo Nombre

Fuerza F [N] Newton

Presión p [Pa, bar] Pascal, bar; (1 bar = 100.000 Pa)

Temperatura T [°C] Celsius

Trabajo W [J] Joule

Potencia P [W] Watt

Tensión Eléctrica U [V] Volt

Resistencia Eléctrica R [Ω ] Ohm

Frecuencia Eléctrica f [Hz] Hertz

Tabla 1-1: Unidades del SI Sistema Internacional




1.3 Estado Termico1.3.1 Temperatura y capacidad de calor

Temperatura

La temperatura de un gas es la medida de energía cinética de sus

moléculas – mientras más alta la temperatura, mas rápido se mueven.Aceptando eso, debe existir un punto de baja temperatura en que no semuevan más las moléculas. Esta temperatura teórica es menos 273.15grados en la escala Celsius, que se define por su punto 0.La escala Kelvin usa esta temperatura como punto cero, en este caso elpunto de derretimiento del hielo es 273,15 grados Kelvin.

Capacidad de Calor

La capacidad de calor específica de una sustancia [kJ/kg K] tiene que ser conocida paradescribir esta energía térmica. Esta es la cantidad de calor necesaria para aumentar latemperatura de una sustancia de 1 K. Hay que considerar si la sustancia se calienta con el

volumen constante (isocorica) o con la presión constante (isobárica).Capacidad de calor isocorica: cv ejemplo: Temperatura del aire de una habitación cv =0.72 kJ/kg K

Capacidad de calor isobárica: cp ejemplo: Temperatura del aire de una habitación cp =1.01 kJ/kg K

La capacidad de calor isobárica de una sustancia, es por lo tanto, mayor que la capacidad

de calor isocorica.cp y cv se puede calcular con la ayuda del exponente isentrópico K

La capacidad de calor Q necesaria para calentar una masa de temperatura T a T se define

Cp ĸ =

Cv

Fig. 1-15: Termómetrot es indicado en [°C]T es indicado en [K]

Evaporación delagua

Punto decongelamiento






·

Ejemplo

Conversión de volumen estándar a volumen estándar según DIN 1343.Una fábrica de tejido requiere 16 m³ por minuto volumen estándar según DIN 1343 a 7 bar.Que compresor se requiere? Será suficiente un DSD 201, produciendo 20.86 m³/min a 8bar?

Condiciones ambimentalesTemperatura máxima ambiental: 40 °CHumedad relativa máxima: 65 % Presión atmosférica más baja: 1.018 barVolumen de entrega de un DSD201 @ 8 bar: 20.86 m³/min

VN = Volumen estándar a DIN 1343V0 = Volumen estándar T0 = Temperatura de la ubicación en K TN = Temperatura según DIN 1343, TN = 273.15 K pN = Presión de aire según DIN 1343, pN = 1.01325 barespA = Presión de aire en ubicación, en bar (abs.)Frel = Humedad relativa en la ubicaciónpD = Presión de saturación de vapor de agua contenida en el aire en bar, dependiendo de

la temperatura del aire. (ver pagina 15).

VN = 17.41m³ Un DSD 201@ 8 bar compresor es suficiente.

Al agregar unidades de tiempo, el valor se puede expresar como Flujo de Volumen Estándar(VN) 17.41 m³/min.

El consumo de aire en términos de masa de aire, por ejemplo en kg. por unidad detiempo, subsiguientemente eso es dividido por la densidad del aire (1.294 kg/m³ segúnDIN 1343) para obtener un Flujo de Volumen Estándar en términos de metros cúbicos


20.86 m³ x 273.15 K x (1.018 bar – (0.65 x 0.0738 bar))VN =

(1.01325 bar x 313.15 K)

V0 x TN x (pA - (Frel x pD))VN =

(pN x T0)



1.4.4 Cambio de Estado en Gases Ideales

Los cambios de estado en sitemas reales muchas veces son muy complejos. Se puedensimplificar, sin embargo, están relacionados a cambios de estado especiales, para eso serequieren las siguientes condiciones generales:

- Cantidad de particulas de un gas ideal constante.- Sistema cerrado- Gas en un cilindro tapado por un piston- Proceso controlado (presión y temperatura del gas siempre en equilibrio con el

presion y temperatura del ambiente).- Movimiento de pistón sin fricción. (proceso reversible)

Cambio de estado isotermico

Un cilindro con buena conductividad termica es ubicado en un deposito de calor de una grancapacidad de calor. El cambio de estado deberia tomar lugar lentamente para asegurar laecualizacion completa de temperatura.

Si se disminuye el volumen manteniendo la temperatura constante, se aumenta la presion.Para compresión isometrica, el calor completo tiene que ser transferido a los alrerdedores atraves del deposito de calor. Al revés, en una expansión isotérmica, el calor debe fluir desde el ambiente para ser


p0, T0 p1, T1

Transferencia de Calor

Depositode calor

Fig. 1-26: Cambio de estado isotérmico

IsothermicoT0 = T1

p

p1

p0

V1 V0 V

T1

T0



Cambio de estado isocoricoEl volumen de gas se mantiene constante por un envase de rigidez infinita.

Si se calienta el gas, se incrementa la presión. En el diagrama p-V, el estado isochorico esun movimiento vertical. El cambio de relación de presión es directamente proporcional al larelación de cambio de temperatura.

Cambio de estado isobarico

A un volumen de gas en un cilindro se ejerce una presión constante por la masa estática yconstante del pistón.

Cunado se aplica calor a un gas, su volumen aumenta, empujando el pistón hacia arriba. Enel p V diagrama el estado isobarico es un movimiento horizontal El cambio de relación de


p0 T0

p1 T1 =

p0, T0 p1, T1

m

Transferencia deCalor

Fig. 1-28:Cambio de estado i sobarico

Isobaricop0 = p1

p

p0 = p1

V V0 V1

0 1

T0

T1

p0, T0 p1, T1

Transferencia de calor

Fig. 1-27: Cambio de estado isochorico

p

p1

p0

V0 = V1 V

IsochoricoV0 = V1

1

0

T0

T1



Cambio de Estado Isentrópico

El cambio de estado isentrópico puede suceder en un sistema adiabático si se puede evitarcualquier transferencia de calor hacia afuera. En términos prácticos, el proceso pasa tanrápidamente que no hay tiempo para la transferencia de calor. Isentrópico también significaque el proceso es reversible.

Si se reduce el volumen y no hay transferencia de calor, la temperatura y la presión

aumenta. El p-V diagrama es mas inclinado que en el p-V diagrama isotérmico, como elcalor de compresión aumenta (como con un bombín). Al reves, el gas se enfria en unaexpansión isentrópica (como en una descompresión en una boquilla).

Temperatura, presión y volumen son vinculados por la formula siguiente:


p0 x V0

ĸ

= p1 x V1

ĸ

p = presión absoluta [Pa]V = volumen [m³]

p01-ĸ

x T0 ĸ

= p11-ĸ

x T1 ĸ

T = temperatura [K]

ĸ = = Kappacp

p0, T0, V0 p1, T1, V1

No transferencia de calor

Fig. 1-29: Cambio de estado isotropico

Adiabático o isentrópicop0 < p1 T0 < T1 V0 > V1

p1

p0

V V1 V0

0

1

T1

p

T0Isothermico

Adiabático:completamenteinsolado y libre de

fricción



Cambio de Estado Politrópico

Ambos, el cambio de estado isotérmico y el cambio de estado isentrópico son extremos yno ocurren en realidad. La compresión de gas en un compresor o la expansión en un motorson cambios de estado politrópicos.

El diagrama abajo indica el poder teórico requerido para la compresión de 1 bar absoluto.

En la compresión de aire, el exponente n llega a diferentes valores dependiendo del método


n = 1,4 = ĸair

n = 1,3

n = 1,1

n = 1,0

Fig. 1-30: Influencia del exponente politrópico n sobre el poder especifico

Todos los cambios de estado descritos hasta el momento se pueden considerar

como casos especiales dentro del caso general, el cambio de estado politrópicoaplica de la siguiente forma:

Con n como el exponente poli trópico

n = 0 proceso isobaricon = 1 proceso isotérmicon = ĸ proceso isotropico

n =∞

proceso isochorico

T1 p1 V0

T0 p0 V1 = =

n - 1n

n - 1

Relaciónde presion

Isothermico

Isentropico



1.4.5 Aire comprimido en movimiento

Flujo volumétrico

La tasa de flujo volumétrico conocido es la tasa de entrega del compresor y se indica en lassiguientes unidades [l/min], [l/s], [m³/min] o [m³/h]. La tasa de flujo volumétrico se definecomo volumen por unidad de tiempo. Tasas de flujo solo pueden ser comparadas si sonmedidas bajo las mismas condiciones de temperatura de entrada, presión, humedadrelativa, y presión en la medición.

Tasa de flujo

Las leyes que se aplican al aire estático son diferentes a las leyes que se aplican al aire enmovimiento:

= Tasa de flujo volumétrico [m³/min]v = Velocidad [m/s]A = Área seccionada [m²]


V

V

Fig. 1-31: Tasa de flujo con cambio de área seccionada

A2, v2 A1, v1 d1

dB(A)

d B A

v2 > v1

V queda constante constante

p ~ v²∆

∆p

d2

Longitud



Hay dos tipos de flujo. El tipo principalmente depende de la velocidad del flujo:

Flujo laminar

En el flujo laminar, las partículas del aire mueven enparalelo.La velocidad disminuye del centro hacia la pared del tubo.

La velocidad muy cerca de la pared es cero; las partículasno se mueven. El flujo laminar solo ocurre a bajavelocidad. Las pérdidas de presión y transferencia de calorson bajos.

Flujo turbulento En un flujo turbulento, que es más común, las partículas nomueven en paralelo y la estructura de la velocidad no es regular.

Ocurren reflujos y remolinos y hay gran pérdida de presión ytransferencia de calor.

Números de Reynold (Re) El número de Reynold ayuda a determinar si el flujo en una red de tubos es laminar oturbulenta. El número Re es influenciado por tres factores:

w = Promedio de velocidad de flujo [m/s]d Diámetro del tubo [m]


d

Fig. 1-34: Perfiels der velocidad deflujo laminar y flujo turbulento

Fig. 1-32: Flujo laminar

Turbulent flow

Laminar flow

Boundarylayer

Pipe material

Fig. 1-33: Flujo turbulento



Perdida de presión en un tubo

Cada tubo presenta cierta resistencia al flujo de aire que fluye adentro. La resistencia esmucho más grande en flujos turbulentos que en flujos laminares y depende de cuatrofactores:

• Área seccional del tubo• Velocidad del flujo• Largo del tubo• Calidad de la superficie de la pared del tubo


Fig. 1-35: Perdida de presión a lo largo del tubo

Presión en bar

Largo en mm

1

2



1.5 Sonido

Sonido es lo que interpreta su cerebro con cambios minúsculos en presión del aire tocandoel oído. El sonido viaja a través de un medio como gas o líquido en forma de olaslongitudinales, moviendo las moléculas del medio, adelante y atrás y así creando áreas depresión. La velocidad del sonido a través del aire a nivel del mar y 20 °C es 343 m/sec.

Presión del sonidoPresión del sonido es el nombre dado a variaciones de presión en un medio que transmitesonido. La presión del sonido ejerce una fuerza sobre un área y por tal motivo se puedeexpresar en Pascal. (Pa) (10-5 bar). En este sentido la distancia de la fuente del sonido escrítica. El sonido ambiental en un dormitorio tranquilo en la noche tiene una presión desonido de 6.3 x 10-4 Pa, mientras la presión del sonido de la turbina de un avión a unadistancia de 30 metros puede ser 200 Pa.

Nivel de presión de sonido (Lp)El nivel de presión de sonido Lp indica la relación de la amplitud de la presión del sonido aun nivel de referencia de cero dB (Decibel) (pR = 20 µPa = 2 x 10-5 Pa). El Decibel del nivelde la presión del sonido (dBSPL) es, por ende, una relación sin dimensión a un nivel dereferencia, el umbral del oído del ser humano a su frecuencia más sensitiva.

Pesando el nivel de presión de sonido (A)

La llamada curva de pesado de frecuencias es usada para tomar en cuenta el hecho de queel oído humano percibe una diferencia en la fuerte entre tonos de la misma intensidad perode una frecuencia diferente (Fig. 9-31). De uso más frecuente es el A-pesado, que se derivapor la formula:

in dB (A)

El peff A es el A-pesado valor efectivo de la presión del sonido y se puede medir fácilmentepor A-pesado medidores de presión que son generalmente disponibles.

1. Fundamentos de Aire Com rimido

peff A LpA = 20 log

pR

pain threshold



Volumen (Fuerza del sonido)El oido humano no tiene la misma sensibilidad a todas las frecuencias y así niveles sonorosno pueden equipararse a la percepción de volumen. Volumen es un valor subjetivo medidoen Phon e indica, en promedio, que tan fuerte oímos un sonido. Un aumento de la presiónacústica de 10 dB se percibe como una duplicación del volumen. Dos fuentes de sonido deigual nivel producen una combinación de los niveles de 3 dB superior a la misma fuente.

Nivel de potencia acústica LWA”

El nivel de potencia acústica indica, por ejemplo, el ruido producido por un producto endeterminadas condiciones de operación. La potencia acústica de una fuente de radiaciónpuede ser determinada por la medición de campo libre. Mientras que el nivel de presiónacústica indica el valor de la presión acústica de un campo de sonido en un determinadolugar, el nivel de potencia acústica da a la emisión de ruido de una fuente. Si el nivel depresión acústica en una determinada distancia de la fuente es conocida, la potencia acústicade la fuente puede ser calculada.

El "nivel de potencia acústica" se calcula de la suma de los "niveles de presión acústica" y lasuperficie de medición Ls.

La superficie de medición Ls es puramente el tamaño calculado que se agrega al “Nivel de

potencia acustica LpA” medido.

Medicion de campo libreEl nivel de sonido de un compresor, por ejemplo, sedetermina con la ayuda de una medicion de campolibre segun DIN 45635. La maquina se posiciona enun campo libre de un radio de 50 m para evitar que


LWA = LpA + Ls

LpA es el promedio “nivel de potencia acústica” en unasuperficie especifica, Ls es el superficie de la medición,donde

Ls = 10 log (s / 1 m²) in [dB]

s = es el tamaño de la superficie en m² (ejemplo a 4 m deradio de medecion s = 100 m²)

Cubo imaginario















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