sistema de aire

Implementación de un

sistema de aire comprimido en una industria de segunda

transformación

Implementación de un

sistema de aire comprimido en una

industria de segunda transformaciónAutores: Gabriela Pinaya Johannessen

Realizado por:

Con el apoyo de:

Santa Cruz de la Sierra – BoliviaDiciembre, 2008

Implementación de un sistema de aire comprimido en una industria de segunda transformación

Cita bibliográfica: Pinaya J., G. 2008. Proyecto BOLFOR II/ CADEFORSanta Cruz, Bolivia

Primera edición

Todos los derechos reservados

Edición de texto y producción: Fabiola Clavijo (TNC)Diseño y diagramación: Oré Diseño Gráfico

ISBN:978-99954-719-1-0Depósito Legal: 8-2-2780-08Impreso en BoliviaImprenta El Pais

República de Bolivia

Presentación

Las exigencias y los estándares de calidad del mercado a nivel nacional e internacional, obligan a optimizar los procesos productivos haciéndolos más eficientes para competir en mejores condiciones.

El presente documento “Implementación de un sistema de aire comprimido en una industria de segunda transformación”, producido por CADEFOR, en el marco del Proyecto BOLFOR II, tiene como objetivo brindar los conocimientos básicos para la correcta instalación de un sistema de aire comprimido, de tal forma que el usuario de la guía tenga la capacidad de reconocer e implementar en sus sistemas éstos conceptos

CADEFOR, institución socia de BOLFOR II, contribuye a la generación de conocimiento y técnicas que permiten a los diferentes actores productivos del sector forestal, ya sean públicos, privados o sociales, incorporar elementos tecnológicos validados y probadamente efectivos orientados a la eficiencia y productividad.

Es una satisfacción para el proyecto BOLFOR II entregar este material como una contribución al manejo forestal sostenible que realizan todos los actores del sector forestal, logrando así a la conservación de los bosques.

Proyecto BOLFOR II

Contenido

Introducción ....................................................................................................................................1

Diseño de una red de aire ...........................................................................................................1

Layout de la planta..............................................................................................................................1

Tipo de sistema de aire comprimido existente en la planta y sus respectivos equipos .........................2

Presión actual, pérdidas y velocidades de aire existentes en la planta .................................................2

Demanda general de aire por máquina y tiempo de uso de estas........................................................3

Elección del tipo de sistema de aire comprimido a instalar ..................................................................4

Red abierta.....................................................................................................................................4

Red cerrada ...................................................................................................................................6

Red interconectada ........................................................................................................................8

Identificación de los equipos del nuevo sistema de aire.......................................................................8

Filtro del compresor........................................................................................................................9

Compresor ...................................................................................................................................10

Post enfriador ...................................................................................................................................10

Tanque de almacenamiento..........................................................................................................11

Filtros de línea ..............................................................................................................................11

Secadores....................................................................................................................................11

Equipos adicionales......................................................................................................................12

Tubería principal ...........................................................................................................................12

Tuberías secundarias....................................................................................................................12

Tuberías de servicio ......................................................................................................................12

Recomendaciones generales para realizar el diseño de la nueva red de aire comprimido........................................................................................13

Fallas más frecuentes al momento de diseñar un sistema de aire comprimido...........15

Aspectos a considerar al momento de realizar el mantenimiento del sistema .............16

Bibliografía.....................................................................................................................................18

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Introducción

El aire comprimido es una de las formas de energía más antiguas que conoce el hombre y aprovecha para reforzar sus recursos físicos.

Aunque los rasgos básicos de la neumática se cuentan entre los más antiguos conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta el siglo pasado cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. Aproximadamente, desde 1950 se puede hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en los procesos de fabricación.

A pesar de que esta técnica fue rechazada en un inicio, debido en la mayoría de los casos a falta de conocimiento y de formación, fueron ampliándose los diversos sectores de aplicación.

En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotación industrial sin el aire comprimido. Este es el motivo por el que, en los ramos industriales más variados, se utilicen aparatos neumáticos cuya alimentación continua y adecuada de aire garantizará el exitoso y eficiente desempeño de los procesos involucrados en la producción.

El diseño y mantenimiento adecuado de redes de aire comprimido y sus respectivos accesorios, juega un papel decisivo en los procesos productivos involucrados cuya energía utilizada es el aire.

Diseño de una red de aire

Mediante un análisis de las características técnicas de las maquinarias que intervienen en el proceso productivo de la empresa, se debe identificar qué maquinarias consumen aire comprimido y a qué área pertenecen dentro del layout de la empresa.

Al iniciar el proceso de diseño de una instalación de aire comprimido se deben investigar todas las aplicaciones en las que se requiere el uso de aire comprimido y su ubicación en la planta. Para eso es necesario contar con los siguientes datos:

Layout de la planta: La primera labor de diseño de una red de aire comprimido es levantar u obtener un plano de la planta, donde claramente se ubiquen los puntos de demanda de aire, anotando su consumo y presión requerida. Lo ideal sería tener concentrados por áreas los equipos y máquinas que necesiten aire comprimido, para evitar el diseño de una red de aire grande y costoso.

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Tipo de sistema de aire comprimido existente en la planta y sus respectivos equipos: Si existiera, es necesario conocer el sistema de aire comprimido con el que cuenta la empresa, con el objeto de identificar si es necesario realizar mejoras al diseño, o cambiarlo totalmente. En el caso de cambiar el sistema, con ésta información se podrá identificar qué equipo, tuberías, codos, compresores, mangueras, etc., puede ser reutilizado.

Presión actual, pérdidas y velocidades de aire existente en la planta: Esta información es importante ya que, con ella se podrá identificar si la presión con la que cuenta la empresa es la adecuada para un sistema de aire comprimido y para el correcto funcionamiento del compresor y de la red.

Nota: Generalmente una red industrial de aire comprimido tiene presiones de 6 y 7 bar.

Generalmente, los componentes de una red de aire comprimido como codos, tuberías en “T”, cambios de sección, unidades de mantenimiento y otras, se oponen al flujo generando pérdidas de presión. Una de los aspectos importantes en un diseño, es garantizar que las pérdidas estén en los permisibles.

Para ello es necesario identificar las pérdidas y el valor de éstas, por medio de una tabla cómo la presentada a continuación:

Tabla 1. Registro de pérdidas de presión

Número Designación

Refrigerador posterior (agua o aire)Secador de aire (frigorífico o de absorción)Filtro separador (cerámico o centrífugo)Red de aire comprimidoLijadora de contactoEquipos de acondicionamiento (filtro, regulador, lubricador, etc.)

g/cm3

Fuente: PropiaElaboración: Propia

Existe una clasificación general de los equipos y sus pérdidas, algunos de éstos valores se presentan a continuación:

• Post enfriador de agua 0,09 bar• Post enfriador de aire 0,09 bar

Resumen

3

• Secador frigorífico 0,20 bar• Secador absorción 0,30 bar• Separadores cerámicos 0,10 bar• Red de tuberías 0,14 bar• Filtros en general 0,15 bar

Adicionalmente, es necesario controlar la velocidad de circulación del aire, ya que el aumento de ésta produce mayores pérdidas de presión.

Demanda general de aire por máquina y tiempo de uso de éstas: Es necesario conocer el caudal de la red existente o de la nueva a instalar, ya que el sistema de aire comprimido deberá ser diseñado en base a la demanda. Los equipos y máquinas con sistemas neumáticos traen en sus catálogos métodos para estimar su demanda y obtener datos utilizables en el cálculo del caudal total del sistema. En la tabla siguiente se puede apreciar los consumos de algunos dispositivos más usados en la industria.

Tabla 2. Registro de pérdidas de presión

Dispositivo

Elevadores neumáticos 0.5-5.0 TonTaladrosAmolador neumático(Grinders)Atornilladores neumáticos (Wrenches)PistolasLijadoras manuales

Consumo (Nm3/h)

70-20012-8020-8530-50

2070-115


Otro factor importante es la determinación del tiempo de uso de aire comprimido de los equipos y maquinarias, ya que éste servirá también para el cálculo del sistema de aire comprimido, evitando así su sobre dimensionamiento.

Para ello lo ideal es la utilización de tablas para la adquisición de datos de todos los equipos y máquinas que demandan aire comprimido para su funcionamiento. A continuación presentamos un formato de tabla como ejemplo.

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Tabla 3. Registro de la demanda de consumo de aire comprimido de la industria

Nº de maquinarias o herramientas

Características Consumounitario,NI/min

Consumototal,

NI/min

Tiempo deutilizaciónen horas

Trabajocontínuo (c) oitermitente (i)

Presión detrabajokg/cm3

Resumen


Elección del tipo de sistema de aire comprimido a instalar: Se debe conocer la zona de acumulación de agua en la red, para determinar cual es el tipo de sistema de distribución de aire más adecuado para ser implementado en la empresa. Entre los tipos de sistemas de aire comprimido tenemos:

• Red abierta: Se constituye por una sola línea principal de la cual se desprenden las secundarias y las de servicio tal como se en la Figura N° 1.

Figura 1. Diseño de una red abierta

Fuente: Carnicer2

Elaboración: Carnicer2

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La principal ventaja de esta configuración es la poca inversión inicial necesaria; otras de las ventajas es que en la red pueden implementarse inclinaciones en sentido del aire para la evacuación de condensados, instalando al final de la línea una válvula de purga.

En la siguiente gráfica se presenta una configuración abierta con sus respectivas inclinaciones.

Figura 2. Configuración abierta y su inclinación

Fuente: Carnicer2


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Una de sus grandes desventajas es el mantenimiento, ya que es necesario cortar el suministro de aire, desde el punto de corte hacia abajo, lo que implica una detención de la producción.

Nota: En redes abiertas se debe considerar una inclinación de un 2%

Red Cerrada: En esta configuración la línea principal constituye un anillo. La inversión inicial de este tipo de red es mayor que si fuera abierta. Sin embargo, con ella se facilitan las labores de mantenimiento de manera importante, puesto que ciertas partes de ella pueden ser aisladas sin afectar la producción.

En la siguiente figura se presenta el diseño de este tipo de configuración:

Figura 3. Diseño de una red cerrada

Fuente: Carnicer2


La falta de dirección constante del flujo es una desventaja importante de este sistema, ya que la dirección del flujo en algún punto de la red dependerá de las demandas puntuales y por tanto, el flujo de aire cambiará de dirección dependiendo del consumo. Este fenómeno se puede apreciar en la Figura N° 4.

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Figura 4. Dirección del flujo en una red cerrada para una demanda característica

Fuente: Carnicer2


El problema de estos cambios radica en que la mayoría de accesorios de una red (por ejemplo Filtros, enfriadores, etc.) son diseñados con una entrada y una salida. Por tanto, un cambio en el sentido de flujo los inutilizaría.

Figura 5. Cambio de flujo en una configuración cerrada

Diseño de la red indistintamente en circuito cerrado o circuito abierto.

1. Compresor - 2. Refrigerador posterior - 3. Secador (adsorción, frigorífico, Air ecodryer) - Calderín.

Fuente: Carnicer2


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Otro defecto de la red cerrada es la dificultad de eliminar los condensados debido a la ausencia de inclinaciones. Esto hace necesario implementar un sistema de secado más estricto en el sistema.

Nota: La principal razón para implementar redes cerradas es por su fácil mantenimiento.

• Red interconectada: Esta configuración es igual a la cerrada pero con la implementación de bypass entre las líneas principales. Con éste sistema el mantenimiento se facilita, sin embargo, requiere una inversión inicial más alta.

Figura 6. Diseño de una red interconectada

NOTA: Este tipo de instalación presenta los mismos problemas que una red cerrada.

Identificación de los equipos del nuevo sistema de aire: En el caso de instalar un nuevo sistema de aire comprimido, en función de las necesidades de la producción de la empresa, es necesario identificar los tipos de equipos a utilizar.

Como se presenta en la Figura N° 7 una red de aire comprimido para cualquier industria debe contar idealmente con los siguientes equipos:

Fuente: Carnicer2


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Figura 7. Componentes de una red de aire comprimido

Fuente: Carnicer2


Nota: La presión de trabajo necesaria para el sistema de producción de la planta, será la obtenida después de este conjunto de elementos.

1. Filtro del compresor: Este dispositivo es utilizado para eliminar las impurezas del aire antes de la compresión con el fin de proteger al compresor y evitar el ingreso de contaminantes al sistema.

Filtro del compresor

1) Visor2) Regulador3) Interruptor4) Salida5) Manometro6) Purgador7) Filtro de aspiración8) Filtro de humedad9) Purga

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2. Compresor: Es el encargado de convertir la energía mecánica, en energía neumática comprimiendo el aire. La conexión del compresor a la red debe ser flexible para evitar la transmisión de vibraciones debidas al funcionamiento del mismo. Es importante considerar mantener la presión del grupo de compresores que funcionan en el sistema.

Compresor industrial

Nota: Es admisible un 2% de caída de presión en el compresor, dentro del total del sistema.

3. Postenfriador: Es el encargado de eliminar gran parte del agua que se encuentra naturalmente dentro del aire en forma de humedad.

Postenfriadores industriales

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4. Tanque de almacenamiento : Almacena energía neumática y permite el asentamiento de partículas y humedad.

Nota: Los tanques o pulmones tiene como función principal regular el caudal y evitar

cambios bruscos en la presión.

5. Filtros de línea: Se encargan de purificar el aire hasta una calidad adecuada para el promedio de aplicaciones conectadas a la red.

6. Secadores: Se utilizan para aplicaciones que requieren un aire supremamente seco.

Tanque o pulmón de almacenamineto de aire

Secadores de aire

Filtros para las líneas de aire

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7. Equipos adicionales: Aplicaciones con sus purgas, unidades de (Filtro, reguladores de presión y lubricador) y secadores adicionales.

Equipos adicinales para el sistema de aire comprimido

Equipo adicional: (1) Válvulas de alivio, (2) Medidor de presión, (3) Unidad de mantenimiento de aire (4) Separador de impurezas,

(5) Unidad de lubricación, (6) Regulador de presión de la línea de tubería.

1) 2) 3)

4) 5) 6)

Nota: Los elementos 1,2, 3, 4 y 5 se ubican en la tubería principal. Su presencia en una red de aire comprimido es obligatoria.

8. Tubería principal: Es la línea que sale del conjunto de compresores y conduce todo el aire que consume la planta. Debe tener la mayor sección posible para evitar pérdidas de presión y prever futuras ampliaciones de la red con su consecuente aumento de caudal. La velocidad máxima del aire en la tubería principal es de 8 m/segundo

9. Tuberías secundarias: Se derivan de la tubería principal para conectarse con las tuberías de servicio. El caudal que por allí circula es el asociado a los elementos alimentados exclusivamente por esta tubería. También en su diseño se debe prever posibles ampliaciones en el futuro. La velocidad del aire en ellas no debe superar 8 m/segundo

10. Tuberías de servicio: Son las que surten en sí los equipos neumáticos. En sus extremos tienen conectores rápidos y sobre ellas se ubican las unidades de mantenimiento. Debe procurarse no

13Fuente: Carnicer2


NOTA: El elemento 6 debe ser ubicado en las tuberías secundarias y el elemento 7 en las tuberías de servicio.

sobrepasar de tres el número de equipos alimentados por una tubería de servicio. Con el fin de evitar obstrucciones se recomiendan diámetros mayores de 1

2 " en la tubería, puesto que, generalmente, son segmentos cortos las pérdidas son bajas y por tanto, la velocidad del aire en las tuberías de servicio puede llegar hasta 15 m/segundo

Ejemplo de una red y sus accesorios

Recomendaciones generales para realizar el diseño de la nueva red de aire comprimido

Una vez que se cuenta con toda la información anterior, el paso siguiente es comenzar el diseño de la red de aire comprimido seleccionada, que debe adecuarse al tipo de producción de la empresa. Para el diseño de la red se recomienda lo siguiente:

• Es necesario que la empresa cuente con los recursos necesarios al momento de efectuar las modificaciones del sistema actual o el diseño de un nuevo sistema de aire comprimido.

• Identificar un lugar fijo para la batería de compresores . Es importante realizar un buen análisis inicial, ya que una vez establecida la distribución ésta influirá en las futuras ampliaciones y mantenimiento de la red. Además, el cuarto de compresores debe contar con todo los diferentes elementos aparte del compresor, para que el sistema funcione adecuadamente.

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• Se recomienda la utilización de tanques de de 1 a 1.5 ft3 (28.3 a 42.5 lt) por cada 10 cfm (283.1685 lt/min) de capacidad del compresor para soportar de manera adecuada los aumentos en la demanda del sistema y las pulsaciones existentes.

• Procurar que la tubería sea lo más recta posible con el fin de disminuir la longitud de tubería, número de codos, tuberías en forma de “T” y cambios de sección que aumentan la pérdida de presión en el sistema.

• Las tuberías siempre deben ir instaladas aéreamente, sosteniéndolas en el techos y paredes, esto con el fin de facilitar la instalación de accesorios, puntos de drenaje, futuras ampliaciones, fácil inspección y accesibilidad para el mantenimiento. Una tubería enterrada no es práctica, dificulta el mantenimiento e impide la evacuación de condensados.

• La tubería no debe entrar en contacto con los cables eléctricos y así evitar accidentes. • En la instalación de la red deberá tenerse en cuenta cierta libertad para que la tubería se expanda

o contraiga ante variaciones de la temperatura. Si esto no se garantiza es posible que se presente "cavidades" en las cuales se acumule el agua.

• Antes de implementar extensiones o nuevas demandas de aire en la red debe verificarse que los diámetros de la tubería soportan el nuevo caudal.

• Para el mantenimiento, es esencial que se ubiquen llaves de paso en puntos estratégicos en la red, evitando de esta manera detener el suministro de aire en la red cuando se hagan reparaciones de fugas o nuevas instalaciones.

• Todo cambio brusco de dirección del aire o inclinaciones en el sistema, es un sitio propenso a la acumulación de condensados. Allí se deben ubicar válvulas de evacuación.

• Las conexiones de tuberías de servicio o bajantes deben hacerse desde la parte superior de la tubería secundaria para evitar el descenso de agua por gravedad hasta los equipos neumáticos y su posterior deterioro.

Cuarto de compresión, con todo el sistema principal instalado.

Foto: Empresa San Pedro

15Distribución de las tuberías en una red de aire. El sistema cumple con las partes de una línea abierta, Tubería

principal, secundaria, bajantes, purgas, codos, t´s, etc.


Componentes de un sistema de aire comprimido en una empresa de puertas

Fallas más frecuentes al momento de diseñar un sistema de aire comprimido

En el proceso de diseño de un sistema de aire comprimido, las fallas más frecuentes a considerar son las siguientes:

• Diseñar la tubería enterrada o subterránea sin que sea un caso especial. • Efectuar modificaciones o adiciones poco convencionales al sistema actual, con el objeto de minimizar

costos, sin efectuar un correcto análisis de este sistema.• Creer que se puede compensar la insuficiencia de caudal de aire de un compresor aumentando la

capacidad de reserva de aire por medio de tanques. El uso de tanques solo es justificable cuando se necesita gran de aire en un periodo de tiempo muy corto.

• Elevar la presión de trabajo para suplir la falta de aire de suministro. Esta aumenta un poco la reserva de aire pero a un costo de energía (Kw) muy alto.

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• No inspeccionar constantemente el porqué de las caídas de presión del sistema, ni verificar y ajustar los equipos del sistema de aire comprimido. Hay que tener en cuenta que las fugas pequeñas son imperceptibles debido a que el aire es inodoro y no es visible.

Aspectos a considerar al momento de realizar el mantenimiento del sistema

Para efectuar un mantenimiento adecuado a la línea de distribución de aire comprimido lo recomendable es considerar los siguientes puntos:

• Se recomienda una inspección periódica del sistema para asegurar su buen funcionamiento. • Se debe disponer de un plano de planta y un plano isométrico de la instalación con dimensiones de

tubería e indicación de los elementos y accesorios. • Se recomienda efectuar un diagnóstico periódico (semestral, anual) de todo el sistema. Como ejemplo

a continuación se presenta un formato de evaluación del sistema en función al tipo de línea.

Tabla 4. Diagnóstico de las líneas de distribución de aire

Tipo de línea

Sistema de líneas rígidas

Líneas flexibles

Posible causa del problema

Peso muerto de la tuberíaExpansión y contracciónPresión interna

Fugas

Demasiada agua en las tuberías de las aplicaciones

Fugas

Excesiva caída de presión

Solución

Añadir más apoyosUsar apoyos que permitan desplazamiento lateral de los tubos.Proveer apoyos adecuados para prevenir y flexión.Todas las juntas de tubería deben estar hechas apropiadamente.Reemplazar válvulas y accesorios defectuosos.Si es causado por daños, revisar las condiciones ambientales y proteger zonas vulnerables.Revisar que las purgas sean adecuadas y estén en los lugares correctos.Revisar deterioro en las juntas de los extremos.Proteger mangueras sujetas a difíciles condiciones ambientales.Considerar el uso de líneas en espiral que se recogen automáticamente.Revisa manguera por agujeros.Asegurarse que el tamaño de la manguera sea el adecuado.

Fuente: Carnicer2


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• Es necesario evitar que en el sistema se formen partículas de impurezas como: suciedades u óxidos, residuos de aceite lubricante y humedad, ya que éstas dan origen, muchas veces, a averías en las instalaciones neumáticas y a la destrucción de los elementos neumáticos. Lo ideal es que exista la mayor separación del agua de condensación, por medio de uso de los equipos adecuados al inicio del proceso para el respectivo tratamiento del aire.

• Se debe tener en cuenta que la causa más grande de caída de presión son filtros saturados.

NOTA: En una línea bien diseñada es aceptable entre un 5 a 10% de caída de presión a lo largo de la instalación.

• No incrementar el valor de la regulación de presión para compensar las pérdidas; en vez de ello, revise las posibles causas del problema.

• Contar con un Plan de Mantenimiento del sistema que contenga una ficha técnica y digital en donde se registre la fecha de revisión de todos los elementos, recomendaciones del fabricante y/o instalador, al igual que el de los fallos, sus causas, reparaciones y fechas del suceso, etc.

• No dejar mangueras de los equipos en el ya que los sistemas de transporte dentro de la planta pueden ocasionar averías a veces imperceptibles.

Proceso de instalación del tanque de

almacenamiento de aire.


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Bibliografía

Horacio C., Quiroz E. Redes de Aire Comprimido - Compendio de información para asignatura de Mantenimiento I. Universidad Eafit, 2003.

Automatización Neumática – SMC Latina Carnicer, E. Aire Comprimido Teoría y Cálculo de las Instalaciones. Ed. Gustavo Gili S.A., Barcelona,

1977. pág. 220 Pnuematic Handbook Blanch, F. Curso de Neumática U.P.C http://www.sapiens.itgo.com/neumatica/ http://air.irco.com/es/air_treatment.asp http://www.mpa.es/productos/accesorios/aftercooler/afterco.htm http://www.htfi.com.co/01.html ESTEBAN HINCAPIÉ GÓMEZ JUAN DAVID ARBOLEDA SERNA SANTIAGO CARDONA MÚNERA [email protected] UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, SEDE MEDELLÍN. UNIVERSIDAD EAFIT.

DEPARTAMENTO DE ING. MECÁNICA NOVIEMBRE 10 2003

Socios y beneficiarios - Proyecto BOLFOR II

El Proyecto de manejo forestal sostenible BOLFOR II se desarrolla en el marco de un convenio entre el Gobierno de Bolivia y USAID. Se implementa bajo el liderazgo de The Nature Conservancy (TNC) con las siguientes organizaciones: Centro Amazónico de Desarrollo Forestal (CADEFOR), Tropical Forest Trust (TFT), Consejo Boliviano para la Certificación Forestal Voluntaria (CFV), el Instituto Boliviano de Investigación Forestal (IBIF) y Fundación José Manuel Pando (FJMPando)

El Proyecto de manejo forestal sostenible BOLFOR II es un esfuerzo conjunto del Gobierno de Bolivia y USAID, ejecutado por TNC.

Esta publicación ha sido producida gracias al apoyo proporcionado por la Oficina de Medio Ambiente de la Agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional/Bolivia (USAID/Bolivia), bajo los términos del Acuerdo Cooperativo No. 511-A-00-03-00200-00.

Las opiniones expresadas pertenecen a las personas e instituciones que implementan el Proyecto BOLFOR II y no representan necesariamente la opinión de la Agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional (USAID).

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