Diseño de un sistema de aire comprimido para la Empresa MONCAR de Santa Clara

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(1)Departamento: Ingeniería Mecánica. Diseño de un Sistema de aire comprimido para la Empresa MONCAR de Santa Clara.. Autor: Gabriel Barrera Santos Tutor: Dr. Feliberto Fernández Castañeda Cotutores: Ing. Aracely Guerra Mesa Ing. Roberto Rodríguez Marcial.. , junio, 2018.

(2) Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual. Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419.

(3) Agradecimientos Agradecimientos: Le agradezco a toda mi familia, en especial a mis padres por enseñarme a ser mejor cada día, gracias a su dirección, comprensión y apoyo en todos los momentos, ya que sin ellos no hubiera sido posible haber llegado hasta aquí. A mi hermano que siempre ha confiado en mí. A mi novia, por estar a mi lado en muchos momentos difíciles de mi carrera y en mi vida, y que solo ella sabía sacarme de ellos ileso. A su familia que también han sabido brindarme un apoyo absoluto. A mis amigos, tanto los que conocí en la universida, como los de infancia, que a su manera he recibido de ellos ese aliento y han sido uno de los pilares importantes durante mi carrera siendo incondicionales . A mis maestros, que han sido indispensable en mi formación profesional gracias por su disposición y ayuda al haberme transmitido sus conocimientos y por haberme señalado oportunamente mis errores. A mi tutor Feliberto Fernández Castañeda por la paciencia y el tiempo empleado para la realización de dicho trabajo. En la empresa MONCAR, a mis cotutores Aracely Guerra Mesa y Roberto Rodríguez Marcial, por haberme trasmitido todos los conocimientos y experiencias que poseían sobre el tema, ademas de facilitarme una serie de información necesaria, por lo que no hubiese sido posible sin su ayuda . Es dificíl poder resumir todas aquellas personas que influenciaron , acompañaron y tuvieron que ver de una manera u otra. A todos muchas gracias..

(4) Resumen. Resumen El presente trabajo aborda el campo de la neumática y en particular el diseño de una red de aire comprimido perteneciente a la UEB MONCAR Centro, de Santa Clara. Para ello, se realizó un estudio sobre el tema de la neumática en general y de los componentes necesarios para una instalación de este tipo en un taller mecánico. En base a lo anterior se seleccionaron los principales elementos que conforman el sistema, de acuerdo a las exigencias del taller y a las condiciones del mismo. En ese sentido se determinó, primeramente, basado en la Norma ISO 8573-1, el flujo de salida de la sala de compresores necesarios, a partir del consumo de aire de las 24 herramientas a utilizar, arrojando un consumo total de 2.088 m3/min. A partir de esos valores se determinaron los diámetros de las tuberías y sus respectivas dimensiones, las caídas de presión y el volumen del depósito de almacenamiento. Además, se determinaron la cantidad y tipos de accesorios, entre ellos: válvulas, uniones, manómetros, etc. La modelación en 3D y representación de sistema desarrollado se realizó empleando el diseño automatizado, con el software CAD SolidWorks 2015. Por último, se realiza una valoración económica y se muestra toda la documentación técnica para la construcción y montaje del mismo..

(5) Abstract Abstract The present work deals with the field of pneumatics and in particular the design of a compressed air network belonging to the UEB MONCAR Centro, of Santa Clara. For this, a study was made on the subject of pneumatics in general and the necessary components for an installation of this type in a mechanical plant. Based on the above, the main elements that make up the system were selected, according to the demands of the plant and its conditions. In this sense, it was determined, firstly, based on ISO Standard 8573-1, the output flow of the necessary compressor room, based on the air consumption of the 24 tools to be used, yielding a total consumption of 2,088 m3 / min. From these values the diameters of the pipes and their respective dimensions, the pressure drops and the volume of the air storage tank were determined. In addition, the quantity and types of accessories were determined, among them: ball valves, unions, manometers, etc. The 3D modeling and representation of the developed system was carried out using the automated design, with CAD software SolidWorks 2015. Finally, an economic evaluation is made and all the technical documentation for the construction and assembly thereof is shown..

(6) Índice. Índice Introducción……….…………………………………………………………………..….……... Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industria…………….…………..….. 1.1 Antecedentes e historia del uso del aire comprimido .................................................. 1.2 Conceptos básicos y propiedades físicas del aire.……………………………..……….. 1.3 Campos de aplicación de la neumática............…………………………………..……... 1.3.1 Comparación de la Neumática con la Hidráulica y la Electricidad ……...……..… 1.3.2 Ventajas, inconvenientes y aplicaciones del aire comprimido ………...………….. 1.4 Características de las Máquinas de fluido ……………………………..……………….. 1.4.1 Algunos tipos de compresores existentes ………………….…………………...… 1.5 Selección del compresor ……………………………………………………………….... 1.6 Motores neumáticos ………...………………………………..………………………….. 1.7 Sistema de aire comprimido.………….………………………………………………….. 1.7.1 Descripción general y componentes de una red de aire comprimido ……………. 1.7.2 Configuración de las redes de aire comprimido …………………………………... 1.8 Producción de aire comprimido …...……………………………………..……………… 1.8.1 La calidad del aire comprimido en los sistemas neumáticos ….…..………….….. 1.8.2 Riesgos con la utilización del aire comprimido en la industria …..….……………. 1.9 Herramientas neumáticas …...…………………………………………………..…..….. 1.9.1 Ventajas y desventajas de las herramientas neumáticas ……….……………..…. 1.9.2 Parámetros de las herramientas neumáticas ……………………………………... 1.9.3 Recomendaciones para el buen uso de las herramientas neumáticas …………… Conclusiones parciales ..........................................…………………………….……. Capítulo II: Metodología para el dimensionamiento de una instalación de aire comprimido……...... 2.1 Calidad del aire comprimido en la instalación ………………………..……………….… 2.2 Procedimiento para el diseño de un Sistema de aire comprimido industrial ………….... Paso No.1 Definición de los parámetros de operación y diseño…………………………… Paso No. 2 Identificación de sistemas y elementos neumáticos …………..…………… Paso No. 3 Determinación de las Presiones de operación ……………..…………….... Paso No. 4 Determinación de los factores para dimensionamiento …………………….. Paso No. 5 Dimensionamiento de la red de aire comprimido ……………..………….... 2.3 Costos de la instalación de aire comprimido………………………………………………… Conclusiones parciales …………..………………………………………………..…..... Capítulo III Cálculo y dimensionamiento de la red de aire comprimido para el taller mecánico de la Empresa MONCAR, de Santa Clara……………………………………………………......…. 3.1 Clasificación de la calidad del aire comprimido a utilizar en el sistema………….……... 3.2 Resultados del procedimiento para el diseño de un Sistema de aire comprimido……….. Paso No.1 Definición de los parámetros de operación y diseño …..…………………… Paso No. 2 Identificación de sistemas y elementos neumáticos ……………………….. 3.3 Definición del esquema cinemático para el sistema propuesto…….……………..…….. 3.4 Cálculo y dimensionamiento de la transmisión por correa…………............................. 3.4.1 Selección o identificación de la correa……………………………………..……… 3.4.2 Determinación de los diámetros de pasos de las poleas………………………….. 3.4.3 Cálculo de la Velocidad lineal de la correa…………………………………………. 3.4.4 Determinación de la distancia entre centros de referencia………………………... 3.4.5 Cálculo de la longitud de paso de las correas o bandas……………………..…… 3.4.6 Determinación de la distancia entre centros definitiva………………….………….. 1 4 4 5 7 7 8 9 10 12 13 13 14 15 16 16 16 17 17 18 18 19 20 20 20 20 20 25 25 25 31 32 33 33 34 34 35 36 37 37 38 38 38 39 39.

(7) Índice 3.4.7 Cálculo y comprobación del ángulo de abrazado en la polea menor……………… 3.4.8 Cálculo de resistencia de las correas…………………………………………….... 3.4.9 Determinación del número de correas necesarias……………………………..….. 3.4.10 Determinación de la Pretensión de la correa durante el montaje…………….….. 3.4.11 Cálculo de la tensión en la correa debido a la fuerza………………………….... 3.4.12 Cálculo de las reacciones sobre los árboles debido a la fuerza de pretensión..... 3.4.13Determinación de los principales parámetros geométricos de la polea…………. 3.5 Principales características de la Red de distribución de la instalación de aire comprimido del taller mecánico de la Empresa MONCAR…………………………..…. Paso No. 3 Determinación de las Presiones de operación………………………….…. Paso No. 4 Determinación de los factores para el dimensionamiento…………………. Paso No. 5 Dimensionamiento de la red de aire comprimido………………………..… 3.6 Costos de la instalación de aire comprimido………………………………………….... 3.6.1 Precios de tuberías en el mercado………………………………………………... 3.6.2 Precio de equipos, componentes y herramientas del sistema……………………. Conclusiones Parciales……………………………………………………………..…... Conclusiones generales …………………………………………….…………………………….. Recomendaciones………………………………………………………..……………………….. Referencias Bibliográficas………………………………………………...………………………. Anexos…………………………………………………………………….………………………... 39 39 40 41 41 41 41 42 44 45 46 51 51 52 54 55 56 57 59.

(8) Introducción Introducción El empleo del aire comprimido y sus aplicaciones para el ser humano ha abarcado diferentes ramas como la medicina, la industria, el movimiento de herramentales, etc. Constituyendo una de las fuentes más antiguas en las cuales se apoya el hombre para realizar actividades de toda índole.[1] El término neumática es derivado del griego Pneumos o Pneuma (respiración, soplo) y es definido como la parte de la Física que se ocupa de la dinámica y de los fenómenos físicos relacionados con los gases o vacíos. Es también el estudio de la transformación de energía neumática en energía mecánica, a través de los respectivos elementos de trabajo.[1] El primer “compresor de aire” en realidad es el pulmón del ser humano. Como el cuerpo humano puede exhalar, nuestros antepasados utilizaron su aliento para avivar fogatas pero en realidad del que sabemos con seguridad que fue el primero que se ocupó de la neumática, es decir, de la utilización del aire comprimido como elemento de trabajo, fue el griego Ktesibios. Hace más de dos mil años, construyó una catapulta de aire comprimido. Uno de los primeros libros acerca del empleo del aire comprimido como energía procede del siglo I de nuestra era, y describe mecanismos accionados por medio de aire caliente.[1] A partir de la segunda mitad del siglo XVII se profundizó el estudio y aplicación del aire comprimido, cuando científicos como Torricelli, Pascal, Boyle y Gay Lussac realizaron investigaciones sobre los gases. En el siglo XIX se comenzó a aplicar el aire comprimido a la industria en forma sistemática; herramientas neumáticas, martillos neumáticos, tubos de correo neumáticos, locomotoras y otras instalaciones auxiliares son ejemplo del desarrollo que se estaba produciendo. La penetración de la neumática en las áreas de los mecanismos y la automatización comienza a mediados del siglo XX.[1] Un largo camino fue recorrido, de las máquinas impulsadas por aire comprimido en Alejandría donde Herón desarrolló un sistema neumático e hidráulico para abrir las puertas del templo,a las actuales que combinan neumática y electrónica de nuestros días. Por lo tanto, el hombre intentó siempre aprisionar esta fuerza para colocarla a su servicio, con el único objetivo: controlarla y hacerla trabajar cuando sea necesaria.[1] Actualmente, el control del aire suplanta los mejores grados de eficiencia y velocidad, ejecutando operaciones sin fatiga, economizando tiempo, herramientas y materiales, además de fortalecer seguridad al trabajo.[1]. 1.

(9) Introducción A pesar de todo esto la irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se inició hasta que llegó a hacerse más acuciante la exigencia de una automatización y racionalización en los procesos de trabajo.[1] En la actualidad, ya no se concibe una instalación industrial sin el aire comprimido. Este es el motivo por el cual, en los ramos industriales más variados se utilice equipamiento neumático siendo el aire comprimido la cuarta utilidad industrial junto con el agua, el gas y la energía eléctrica. A pesar de todo esto el aire comprimido sigue siendo una de las fuentes de energía más incomprendidas y subvaloradas en las que llega a derrocharse más de un 50% del aire comprimido.[1] Las industrias buscan soluciones más eficientes que reduzcan la huella de CO2 en la atmósfera y el consumo energético, por lo que no son solo los compresores el objeto de análisis en una instalación de aire o gases; otros elementos que también forman parte de la producción de aire comprimido son analizados en detalle. Los usuarios se preocupan del tipo de secador que se instala o de cuál es la pérdida de carga de un filtro saturado.[2] Esto provoca que los fabricantes traten de estandarizar al máximo todos los avances relacionados con la reducción del impacto ambiental, usando sistemas de regulación de velocidad variable, motores IE3, desarrollo de tornillos y rotores más eficientes, etc.[2] Otro aspecto que adquiere gran relevancia es el análisis detallado de la planta de aire comprimido. Para producir aire de gran calidad con el menor consumo no solo es necesario adquirir equipos eficientes, sino disponer de una instalación que también sea eficiente. Para ello, cada vez son más las industrias que se preocupan por la detección de fugas, diseñar los trazados de tubería con criterios de máxima eficiencia, reducir los circuitos, curvas y accesorios inútiles, etc. Se busca que la pérdida de carga sea mínima y poder trabajar con niveles de presión inferiores.[2] Teniendo en cuenta lo anterior, surge la necesidad de la Empresa MONCAR de Santa Clara de desarrollar e instalar un sistema de aire comprimido para el funcionamiento de un grupo de herramientas neumáticas para labores de chapisteria, pintura, ensamblaje, etc. Por tanto, el presente trabajo tiene como Objetivo General: Diseñar la instalación de un sistema de aire comprimido para la UEB MONCAR de Santa Clara que permita el funcionamiento eficiente de 24 herramientas neumáticas empleadas en el taller mecánico. 2.

(10) Introducción Objetivos Especificos: 1. Realizar una revisión bibliográfica sobre las instalaciones de aire comprimido,sus antecedentes, generalidades y aplicaciones de los sistemas neumáticos y tecnologías de compresión. 2. Realizar un estudio sobre las características criterios de diseño de los sistemas neumáticos industriales y de los elementos que lo conforman. 3. Realizar el cálculo de un sistema neumático para la operación de diferentes equipos seleccionando los elementos que lo conforman. 4. Elaborar la modelación de la instalación en SolidWorks del sistema neumático diseñado y la documentación técnica necesaria para su fabricación y montaje. 5. Realizar una valoración económica de la instalacion diseñada.. Tareas: 1. Estudio sobre el tema aire comprimido y sistemas neumáticos industriales, su clasificación y características de los principales fabricantes a nivel mundial. 2. Recopilación de los criterios de diseño y recomendaciones empleadas para el cálculo y dimensionamiento de una instalación neumática industrial, los componentes que la integran en cuanto a modelos, fabricantes,etc. 3. Establecimiento del procedimiento para el diseño de un sistema neumático industrial y dimensionamiento paramétrico de los componentes que lo integran. 4. Modelación en 3D del sistema neumático diseñado y de los componentes empleando el software SolidWorks y generacion de los planos respectivos, teniendo en cuenta los criterios de diseño. 5. Elaboración de la documentación técnica necesaria para la fabricación y montaje del sistema neumático desarrollado. 6. Valoración económica de la propuesta de diseño.. 3.

(11) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial. Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial. El aire comprimido es una de las energías más antiguas que se conocen. La aplicación de la neumática es como consecuencia de una necesidad cada vez más urgente de la racionalización del trabajo. Se puede definir la neumática como la técnica de aplicación y utilización racional del aire comprimido. Las características que han contribuido a la gran aplicación del aire comprimido se exponen en el presente capítulo donde se aborda lo relacionado con el aire viendo sus ventajas y desventajas cuando es utilizado como flujo de trabajo, las propiedades y purezas que este debe poseer para el funcionamiento óptimo en el sistema en el cual se utilice, para que permita el funcionamiento eficiente de los equipos los cuales trabajaran en el taller. 1.1 Antecedentes e historia del uso del aire comprimido Aunque los rasgos básicos de la neumática están entre los más antiguos conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta finales del siglo XVIII y durante todo el siglo XIX cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. Muchos de sus principios ya eran utilizados por el hombre primitivo. Por ejemplo, la primera aplicación del aire comprimido consistió en el soplado de las cenizas para reavivar el fuego. El aire empleado había sido comprimido en los pulmones, a los que podemos considerar como un compresor natural. Produce cierta impresión conocer la capacidad y el rendimiento de este compresor: Los pulmones son capaces de tratar 100 L/min o 6 m 3 /h; ejercen una presión de 0,02~0,08 bar. Además, en estado de salud normal, este compresor posee una seguridad insuperable. Quizás nuestra cultura fuese muy diferente si nuestros pulmones no hubiesen sido capaces de producir fuego.[3] Pero el compresor humano resultó inadecuado por completo cuando el hombre comenzó a fundir metales (~3.000 a.C.). Para alcanzar temperaturas entorno a 1.000ºC se necesitaba un compresor más potente; este también lo suministraba la naturaleza en el viento que se comprimía contra una colina y ascendía por sus laderas. Los orfebres egipcios y sumerios inventaron un método más conveniente y seguro para la producción del aire comprimido que necesitaban para fundir metales nobles. Empleaban un tubo-soplete, al igual que hacen sus colegas de hoy. Este resulta adecuado para pequeñas cantidades, pero no para grandes volúmenes.[3] El primer compresor mecánico, el fuelle manual, fue inventado hacia la mitad del tercer milenio a.C. y el fuelle de pie no se empleó hasta 1.500 años a.C. Esto ocurrió cuando la fundición de la aleación de Cobre y Estaño (Bronce) se convirtió en un proceso estable de producción, como quedó registrado en algunas tumbas egipcias.[3] Cronología de sucesos históricos importantes en el desarrollo de la neumática:. 4.

(12) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial. 1500 A.C.. Fuelle de mano y pie.. 1688 Máquina de émbolos. 1762. Cilindro soplante.. 1776. Prototipo compresor.. 1857. Perforación túnel Mont Cenis.. 1869. Freno de aire para FFCC.. 1888. Red de distribución de aire en París.[3]. 1.2 Conceptos básicos y propiedades físicas del aire. Se denomina aire a la mezcla de gases que constituye la atmósfera terrestre, que permanecen alrededor de la Tierra por la acción de la fuerza de gravedad. [4]. En la tabla 1.1 se puede apreciar los componentes del aire con los valores aproximados de concentración. Tabla 1.1 Componentes del aire con su respectiva concentración. [5]. Componentes. Símbolo. Concentración aproximada (en volumen). Nitrógeno. N. 78.03 %. Oxigeno. O. 20.99 %. CO2. 0.03 %. Argón. Ar. 0.94 %. Neón. Ne. 0.00123 %. Helio. He. 0.0004 %. Criptón. Kr. 0.00005 %. Xenón. Xe. 0.000006 %. Hidrogeno. H. 0.01 %. Metano. CH4. 0.0002 %. Óxido nitroso. N2O. 0.00005 %. Vapor de agua. H2O. Variable. O3. Variable. Dióxido de carbono. Ozono Partículas. Variable. Aunque ningún gas real es ideal, muchos de ellos se comportan de manera tan semejante, que. 5.

(13) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial. sus cálculos como gases ideales proporcionan buenas respuestas en ingeniería. No existe una línea definida de separación que divida a los gases imperfectos de los ideales o perfectos, pero el criterio en ingeniería es sencillo: “si las leyes de los gases ideales rinden resultados suficientemente exactos, la sustancia se considera como un gas ideal; si no es un gas imperfecto”. Como todos los gases, el aire no tiene una forma determinada. Toma la del recipiente que lo contiene o la de su ambiente. Permite ser comprimido (compresión) y tiene la tendencia a dilatarse (expansión).[6] En la tabla 1.2 se muestran algunas características del aire importantes para su estudio. Tabla 1.2. Características para el aire.[5] Características para el aire Const. de los gases R:. 287. (J/kg * K). Temperatura crítica tK:. -140.7. (ºC). Presión crítica pK:. 37.7. (bar). Densidad (0 ºC, 1.013 bar):. 1.29. (kg/m3). Densidad (15 ºC, 1.013 bar):. 1.21. (kg/m3). Punto de ebullición (1 bar):. -193. (ºC). Punto de congelamiento (1 bar):. -216. (ºC). Peso molecular:. 28.96. (kg/kmol). La presión del aire atmosférico depende de la altura geográfica. Como altitudes de referencia para la presión y temperatura del aire suelen tomarse las siguientes.[5] Po=1.013 bar y to = 20 oC. O. Po = 1.013 bar y. to = 0 o C. Entre las propiedades físicas del aire se pueden mencionar las siguientes:. . Fluidez: Capacidad de desplazamiento del flujo de aire de un lugar de mayor a menor concentración sin gasto de energía.. . Compresibilidad: Reducción de volumen del aire bajo la presión de una fuerza, hasta un límite de compresión.. . Elasticidad: la presión ejercida en un gas se transmite con igual intensidad en todas las direcciones ocupando todo el volumen que lo engloba.. . Expansión: Aumento de volumen de una masa de aire al verse reducida la presión ejercida. 6.

(14) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial. por una fuerza o debido a la incorporación de calor.. . Volumen: Espacio que ocupa el aire.. . Masa: (Presión atmosférica). . Densidad: Es de 1,18 kg/m³ (a 25 °C).. . Viscosidad: Es de 0,018 cP (a 20 °C).[4]. 1.3 Campos de aplicación de la neumática La neumática está presente en cualquier proceso industrial que requiera incrementar la producción. La automatización de los diferentes procesos industriales, releva al hombre de ciertas actividades, lo que ocasiona posibles pérdidas de puestos de trabajo en las empresas. Por esto, la sociedad industrial tiene ante sí un reto importante en crear nuevos puestos de trabajo, con mayor especialización del personal. Resulta paradójico que en los países más industrializados a nivel mundial las nuevas tecnologías han creado más puestos de trabajo que en el resto. La progresiva sustitución de la energía humana por la neumática, hidráulica o eléctrica responde sobre todo al intento de minimizar costos de producción y automatizar los procesos industriales. De este modo, la neumática se ha convertido en un elemento imprescindible en la automatización de la producción en todos los sectores industriales [3]: - Industria del automóvil, aeronáutica, ferroviaria, naval, aeroespacial, maderera. - Industria textil, del calzado, agroalimentaria, cárnica… - Producción de energía - Refinerías e industrias petrolíferas y químicas, siderurgia, minería. - Industrias de logística, máquinas de embalaje, imprentas y artes gráficas - Construcción y obras públicas - Robótica, etc. 1.3.1 Comparación de la Neumática con la Hidráulica y la Electricidad Algunas de las tecnologías disponibles que pueden realizar funciones similares que la neumática son la hidráulica y la eléctrica, dependiendo su uso de la aplicación específica que se quiera realizar. En la tabla 1.3 se pueden apreciar sus ventajas e inconvenientes, tanto en la parte de control como en la de actuación. [3]. 7.

(15) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial.. Tabla 1.3. Comparación entre diferentes tecnologías disponibles. Tecnología eléctrica. Ventajas.. Inconvenientes.. Sencillez de los sistemas de mando.. Instalaciones no demasiado complejas.. Muy extendida, gran experiencia en el sector.. Mantenimiento complejo y laborioso.. Menor tamaño para el control.. Baja versatilidad en actuadores. Tecnología neumática.. Ventajas.. Inconvenientes.. Sencillez de los sistemas de mando.. Instalaciones caras en general.. Rapidez de respuesta.. El acondicionamiento del aire es costoso.. Mantenimiento casi nulo. Económica.. Baja complejidad de las instalaciones.. Tecnología hidráulica. Ventajas.. Inconvenientes.. Desarrollo de grandes fuerzas.. Instalaciones muy caras en general.. Sencillez de operación.. Suciedad alta.. Mejor regulación qué neumática.. Velocidad de respuesta muy lenta.. En cuanto al rango de aplicación para las presiones, destacar que la neumática suele usar presiones promedio de 6~7 bares (90~100 PSI), y la hidráulica alrededor de 70 a 350 bares (1000~5000 PSI), incluso algunas aplicaciones pueden llegar a los 700 bares. En esta investigación se eligió la neumática a pesar de las ventajas antes vistas de las otras tecnologías ya que se va a desplazar la red de aire comprimido por todas las instalaciones del taller para facilitar el manejo con las herramientas neumáticas a los operarios. [3] 1.3.2 Ventajas, inconvenientes y aplicaciones del aire comprimido: Ventajas de la Neumática: [4] . Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y fácilmente regulables. . Las sobrecargas no constituyen situaciones que dañen los equipos en forma permanente.. . La energía puede trasladarse grandes distancias.. 8.

(16) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial. . Insensible a agentes externos como temperaturas , humedad, suciedad, etc.. . Fácil transformación de energía, en movimientos rotativos o lineales.. . Bajo costo y mantenimiento sencillo de los componentes.. . Gran confiabilidad y seguridad bajo condiciones de trabajo extremas.. Desventajas de la Neumática: . Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente empleado.. . Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes fuerzas.. . Altos niveles de ruido generado por la descarga del aire hacia la atmósfera.. . Pérdidas de aire disminuyen el rendimiento.. Dentro de las aplicaciones del aire comprimido en la industria se tienen el manejo de herramientas: Pulidoras, taladros, martillos, cinceles, así como el atomizado y mezclado de sustancias, elevación de cargas, accionamiento de frenos y control de procesos.[4] 1.4 Características de las Máquinas de fluido. Son aquellas que tienen como función principal intercambiar energía con un fluido que las atraviesa. Este intercambio implica directamente una transformación de energía. Las máquinas de fluido se suelen clasificar según varios principios. [7] Según la naturaleza del fluido que las atraviesa tal como se puede apreciar en el recuadro de la figura 1.1 se pueden clasificar en: . Máquina hidráulica o máquina de flujo incompresible es aquella que trabaja con flujos incompresibles. A este grupo pertenecen las máquinas que trabajan con líquidos (por ejemplo, agua) pero además se incluyen aquellas que trabajan con gases cuando éstos se comportan como flujos incompresibles, como por ejemplo los ventiladores o aerogeneradores. Estas máquinas aprovechan únicamente la energía mecánica disponible en el fluido (cinética y potencial). [7]. . Máquina térmica o de flujo compresible es aquella que trabaja con fluidos compresibles, ya sean condensables (caso de la máquina de vapor) o no condensables (como la turbina de gas). En este caso, sí se aprovecha la energía térmica del fluido, ya que la energía mecánica se produce mediante la expansión del fluido (incremento de su volumen específico).[7]. 9.

(17) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial.. Figura 1.1 Clasificación de las máquinas de fluido según la naturaleza del fluido. Dentro de las máquinas de fluido compresible se encuentra el compresor (figura 1.2) construido para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles. Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.[7]. Figura 1.2 Compresor de aire. 1.4.1 Algunos tipos de compresores existentes. Existen varias formas constructivas de los compresores de aire, entre ellos: . Compresor a Pistón.. 10.

(18) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial. Es uno de los más antiguos, pero sigue siendo el más versátil y eficaz. Este tipo de compresor mueve un pistón hacia delante en un cilindro mediante una varilla de conexión y un cigüeñal. Si sólo se usa un lado del pistón, se clasifica como una acción única. Si se utilizan ambos lados del pistón, es de doble acción. (Diego A Ortiz Zapata 2009)[5, 8].(ver figura 1.3). Figura 1.3. Compresor a pistón. . Compresores rotativos. Son las máquinas que producen aire comprimido por un procedimiento rotatorio y continuo, es decir, que empujan el aire desde la aspiración hacia la descarga comprimiéndolo. Dentro de los modelos más difundidos a nivel industrial se encuentran [9]: . Compresores de paletas.. El principio de funcionamiento de estos compresores se ilustra en la figura 1.4. en este caso, el volumen de aire atrapado en la cámara comprendida entre dos paletas consecutivas se comprime gradualmente mientras que la rotación del aire irá poco a poco disminuyendo y por lo tanto su presión aumentará por la progresiva reducción del volumen provocando la correspondiente compresión.[9]. Figura 1.4. Compresor de paletas. 11.

(19) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial.. . Compresores de tornillo. [9]. Esencialmente se componen de un par de rotores que tienen lóbulos helicoidales de engranaje constante, su diseño ha avanzado de forma considerable demostrando ser compatibles para satisfacer una amplia gama de caudales que van desde 2,5 hasta 70 𝑁𝑚3/ℎ en compresores de dos etapas para presiones máximas de trabajo de hasta 10 bares. (ver figura 1.5). Figura 1.5 Compresor de tornillo. . Compresores tipo Roots. [9]. Son compresores de aire de desplazamiento volumétrico, consiste esencialmente de dos rotores montados en una carcasa y conectados por engranajes (ver figura 1.6).. Figura 1.6 Compresor tipo Roots. 1.5 Selección del compresor. Los puntos que intervienen en la elección son varios: presión máxima y mínima pretendidas, caudal necesario, crecimiento previsto de la demanda, condiciones geográficas (altitud, temperatura, etc.), tipo de regulación, espacio necesario, tipo de refrigeración, accionamiento,. 12.

(20) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial. lugar de emplazamiento exacto, etc.[3]. La selección del tipo de compresor y de su capacidad son parámetros críticos en el diseño de una instalación de aire comprimido. Una acertada elección supone un gran ahorro energético durante el funcionamiento normal de la instalación [10]. En general, se establecen cinco pasos básicos para establecer la capacidad del compresor: 1. Estimar el total de consumos de los dispositivos que emplean aire. 2. Determinar la presión más elevada que requieren estos. 3.. Estimar un valor típico de fugas.. 4. Fijar las máximas caídas de presión admitidas tanto para los diversos elementos como para las conducciones. 5.. Otras consideraciones que afecten al diseño: condiciones medioambientales, altitud, etc.. Se selecciona el compresor considerando la presión máxima de operación de este como la Presión necesaria para llegar al punto más alejado de la instalación y aplicándole además un porcentaje de un 15%. El modelo de compresor dependerá de las exigencias del sistema de aire comprimido, de la planta y del diseñador de la instalación.[4] 1.6 Motores neumáticos Los motores neumáticos son unos elementos capaces de transformar la energía neumática en energía mecánica según un movimiento rotativo. Existen muchas herramientas que funcionan con aire comprimido y necesitan un motor, por ejemplo, taladradoras. Los motores neumáticos no solamente son útiles como herramientas de trabajo, también tienen un uso industrial, aunque no sea lo más común, porque ya existen los motores eléctricos. Sin embargo, en ciertas industrias, pueden llegar a ser necesarios, por temas de seguridad o higiene. [3] 1.7 Sistema de aire comprimido. El aire comprimido es la mayor fuente de potencia en el sector industrial. Su aplicación industrial es muy amplia y algunas aplicaciones son prácticamente imposibles con otros medios energéticos. Para la generación de aire a una presion de trabajo determinada es necesario recurrir al uso de equipos diseñados para tal fin como lo son los compresores.[11] Un sistema de aire comprimido se divide en dos partes: el suministro y la demanda. Del lado del suministro, se encuentra el paquete de compresión, compuesto por el compresor, el motor del compresor, controladores y depósitos y equipo de tratamiento del aire, como filtros, enfriadores, secadores, tanques de almacenamiento, etc. Por el lado de la demanda, están el cabezal principal, compuesto por las líneas principales de distribución, mangueras, reguladores de. 13.

(21) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial. presión, válvulas, lubricadores, equipo neumático, etc. [11] Al planificar y diseñar un sistema de aire comprimido es necesario prever una presión superior a la red con el fin de poder garantizar el suministro de aire aun cuando se incorporen nuevos equipos. Por esta razón, es prudente sobredimensionar la instalación para que en una modificación posterior evitar un gasto considerable o una parada temporal del servicio.[11] 1.7.1 Descripción general y componentes de una red de aire comprimido Una red de aire comprimido es el conjunto de todas las tuberías que parten del depósito, colocadas fijamente unidas entre sí y que conducen el aire comprimido a los puntos de toma para los equipos consumidores individuales como se ve en la figura 1.7. En general una red de aire comprimido de cualquier industria cuenta con los siguientes 8 dispositivos.[12]. Figura 1.7. Red principal de un sistema de aire comprimido. 1. Equipos de filtración previos al compresor. Son utilizados para eliminar las impurezas del aire con el fin de proteger al compresor y evitar el ingreso de contaminantes al sistema. 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. 3. Equipos de enfriamiento del aire comprimido. Los equipos de enfriamiento son la inversión más rentable para reducir las altas temperaturas del aire comprimido que sale del compresor. Es necesario enfriar el aire a 30°C – 35°C antes de que entre al secador o filtro en el tratamiento posterior del aire comprimido.. 14.

(22) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial. 4. Depósitos. Almacenan el aire comprimido y equilibran las pulsaciones del aire procedente del compresor, tienen como función principal regular el caudal, evitar cambios bruscos en la presión y el asentamiento de partículas y humedad. 5. Equipos de filtración en línea. Se encargan de filtrar y eliminar las partículas de polvo del aire comprimido hasta una calidad adecuada para las aplicaciones conectadas a la red. 6. Secadores. Se utilizan para aplicaciones que requieren un aire muy seco. 7. Red de conductos. Se dividen en conductos principales, que conectan el compresor con el anillo de distribución, y las tuberías de distribución, desde los que se alimentan las derivaciones a cada herramienta o punto de consumo 8. Equipos adicionales. Equipos de purga, unidades de mantenimiento (formadas por filtro, regulador de presión y lubricador), secadores adicionales e instrumentación, medidor de presión, separador de impurezas, unidad de lubricación y regulador de presión de la línea de tubería. [12] 1.7.2 Configuración de las redes de aire comprimido (ver figura 1.8) Red abierta. Se constituye por una sola línea principal, de la cual se desprenden las secundarias y las de servicio. La poca inversión inicial necesaria de esta configuración constituye su principal ventaja. Además, en la red pueden implementarse inclinaciones para la evacuación de condensados. La principal desventaja de este tipo de redes es su mantenimiento. [12] Red Cerrada. En esta configuración la línea principal constituye un anillo. La inversión inicial es mayor que si fuera abierta. Sin embargo con ella se facilitan las labores de mantenimiento puesto que ciertas partes de ella pueden ser aisladas sin afectar la producción. Una desventaja importante de este sistema es la falta de dirección constante del flujo.[12] Red Interconectada. Esta configuración es igual a la cerrada pero con la implementación de bypass entre las líneas principales. Este sistema presenta un excelente desempeño frente al mantenimiento pero requiere la inversión inicial más alta..[12]. Figura 1.8. Tipos de redes neumáticas.. 15.

(23) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial. 1.8 Producción de aire comprimido Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. El aire comprimido, impulsado de la estación compresora llega a las instalaciones a través de tuberías. Al planificar el sistema es necesario prever un tamaño superior de la red, con el fin de poder alimentar nuevos aparatos neumáticos en el futuro. Por ello, es necesario sobredimensionar la instalación, para que el compresor no resulte más tarde insuficiente y evitar gastos adicionales superiores. [12]. Es muy importante que el aire sea puro. La compresión de aire tiene un propósito básico que es el de suministrar un gas a una presión más alta del que originalmente existía. El incremento de presión puede variar de unas cuantas onzas a miles de libras por pulgada cuadrada (PSI) y los volúmenes manejados de unos pocos pies cúbicos por minuto (CFM) a cientos de miles. [12] La compresión tiene variedad de propósitos: • Transmitir potencia para herramienta neumática. • Aumentar procesos de combustión. • Transportar y distribuir gas. • Hacer circular un gas en un proceso o sistema. • Acelerar reacciones químicas. [12] 1.8.1 La calidad del aire comprimido en los sistemas neumáticos La compresión del aire trae consigo ciertos problemas, ya que al comprimir el aire también se comprimen las impurezas que éste contiene tales como polvo, hollín, suciedad, hidrocarburos, gérmenes y vapor de agua. A estas impurezas, se suman las partículas que vienen del compresor tales como polvo de abrasión por desgaste, aceites coquizados y aerosoles. Además, se suman las impurezas que contienen las tuberías internamente tales como óxido, residuos de soldadura y de sustancias hermetizantes que resultan durante el montaje de válvulas. Las impurezas pueden ocasionar fallos en las unidades consumidoras y dañar la red. [9] 1.8.2 Riesgos con la utilización del aire comprimido en la industria.. . Las mangueras de conexión pueden estar sometidas a flexiones, golpes, erosiones, etc., lo que puede traer como consecuencia la ruptura de las mismas. [13]. . Los escapes de aire comprimido pueden producir heridas por las partículas de polvo arrastradas, o por la presencia de partículas de agua, y/o aceite. [13]. . El uso de presiones inadecuadas puede dar lugar a la ruptura de herramientas o útiles,. 16.

(24) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial. con el consiguiente riesgo de proyección de elementos. [13]. . La conexión de herramientas o equipos, a líneas de gases distintas del aire comprimido puede dar lugar a escapes del gas en cuestión.. 1.9 Herramientas neumáticas. Las herramientas neumáticas solo necesitan 3 componentes básicos: 1.- Compresor. 2.- Línea de aire. 3.- La herramienta o a accesorio adecuado para su función. Las herramientas neumáticas funcionan mediante el desplazamiento de aire de una parte de la herramienta a otra lo más rápidamente posible. [14] 1.9.1 Ventajas y desventajas de las herramientas neumáticas Las herramientas neumáticas no contienen motores, dependiendo de la herramienta y el fabricante, los precios de compra de herramientas neumáticas son a menudo inferiores a los de sus contrapartes eléctricas. [14] Ventajas: . Posibilidad de desarrollar grandes fuerzas, imposibles para la tecnología eléctrica.. . Tecnología muy segura: no genera chispas, incendios, riesgos eléctricos, etc.. . Tecnología limpia, muy adecuada para la industria alimentaria, textil, química, etc.. . Tecnología muy sencilla, que permite diseñar sistemas neumáticos con gran facilidad.. . Posibilita sistemas con movimientos muy rápidos, precisos y de gran complejidad.. Desventajas: . Tecnología que requiere de otra maquinaria y equipos (compresores, mangueras, válvulas, etc.), lo que puede ser un inconveniente.. . El funcionamiento de los sistemas neumáticos es ruidoso, ya que el aire comprimido se expulsa al exterior una vez ha sido utilizado.. . Tecnología más costosa que la tecnología eléctrica, pero el costo se compensa por su facilidad de implementación y buen rendimiento.. 17.

(25) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial. Podría decirse que las herramientas neumáticas reúnen mayores beneficios en cuanto a comodidad y ergonomía, con lo que obtendrás mayor rendimiento evitando retrasos en el proceso y obteniendo mayores beneficios. 1.9.2 Parámetros de las herramientas neumáticas Como en toda herramienta, existe una serie de parámetros importantes que definen el diseño y, la aplicación de las herramientas neumáticas según la necesidad. De hecho, estos parámetros son los siguientes: [15]. Presión máxima de trabajo: es la que necesita la herramienta y se mide en atmósferas, bares o libras por pulgada cuadrada (psi). La mayoría de las herramientas neumáticas funcionan a una presión de 90 psi (6,2 bares); presiones mayores no mejoran el rendimiento, al contrario, algunas herramientas, el rendimiento decae con presiones superiores a 120 psi. [15] Caudal o consumo de aire: es la cantidad de aire que debe alimentar a la herramienta y se mide en metros cúbicos/minuto o litros/minuto o en pies cúbicos/minuto (cfm). Las herramientas rotativas tienden a utilizar más volumen de aire, seguidas por las herramientas oscilantes y finalmente las pistolas fijadoras, que son, por lo general, las que menos aire consumen. [15] Potencia: se mide en watts o HP y es el factor determinante para mantener estable el nivel de revoluciones bajo carga. [15] Torque: mide la fuerza de apriete y se expresa en libras-pie, Nm o kgm. Las herramientas neumáticas son capaces de producir torque máximo aún bajo sobrecarga.[15] Otras consideraciones como la velocidad libre, sin carga o en vacío (determinada en rpm), el número de golpes por minuto, el diámetro del orificio para la manguera de entrada de aire (medido en mm o fracciones de pulgada), el tipo y tamaño de los accesorios de la unidad de mantenimiento, la ubicación del escape del aire, los niveles de ruido y vibración, y la incorporación de silenciadores, entre otros, también son fundamentales para una correcta elección de la herramienta neumática más adecuada. [15] 1.9.3 Recomendaciones para el buen uso de las herramientas neumáticas: Selección correcta de la herramienta: Es de vital importancia que se seleccione la herramienta adecuada para cada trabajo. Relación consumo de aire – capacidad del compresor: El primer requisito a tener en cuenta es que la capacidad del compresor sea lo suficiente para mantener la marcha normal de la herramienta. Cuando no es la adecuada, la herramienta perderá poder y rendimiento. [16] Correcta presión de aire: Para obtener un óptimo rendimiento, la herramienta neumática debe. 18.

(26) Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial. recibir una presión de 6-7 kg/cm2. Menor presión reducirá la potencia y velocidad de la herramienta. Por el contrario, mayor presión producirá desgaste de los componentes. [16] Tuberías. Si se utiliza mangueras de goma se deberá verificar periódicamente que su interior no se deteriore, ya que en este caso se desprenden fragmentos de goma que pueden dañar el mecanismo de la herramienta.El tamaño de la manguera debe ser el adecuado, y el largo de la misma no debe exceder a los 5 m. [16] Mantener la herramienta limpia y lubricada: El óxido y la excesiva condensación son los peores enemigos de las herramientas neumáticas. Se recomienda el uso de filtro - regulador y lubricador. El filtro detiene el agua y las partículas arrastradas por el aire. El regulador mantiene la presión necesaria constante, y el lubricador entrega una película de aceite que entra a la herramienta durante su uso.[16] Conclusiones parciales 1. En la revisión bibliográfica realizada se pudo constatar los fundamentos físicos de la neumática, su evolución cronológica, así como las principales aplicaciones de la misma en la industria, sobre todo en su uso como fuente de energía en herramientas necesarias de un taller mecánico.. 2. Se realizó una comparación de la neumática con otras tecnologías disponibles se comprobaron las características y ventajas que ofrece, tales como el logro de mayores revoluciones, herramientas más ligeras. Lo cual es necesario para facilitar el manejo de las herramientas neumáticas en el taller. 3. Se describió las características generales de una red de aire comprimido, y de los dispositivos y elementos que lo componen, en especial del compresor.. 4. Del análisis de algunos tipos de compresores que se emplean en la actualidad, se precisaron sus características y principales elementos a tener en cuenta para su selección. Entre ellos: presión máxima y mínima pretendidas, caudal necesario, crecimiento previsto de la demanda, condiciones geográficas (altitud, temperatura, etc.), tipo de regulación, espacio necesario, tipo de refrigeración, accionamiento, lugar de emplazamiento exacto, etc.. 19.

(27) Capítulo II: Metodología para el dimensionamiento de una instalación de aire comprimido Capítulo II: Metodología para el dimensionamiento de una instalación de aire comprimido 2.1 Calidad del aire comprimido en la instalación: La suciedad, la humedad y el aceite no deberían estar en el caudal de aire comprimido. Un aire comprimido contaminado en su sistema puede generar desde simples contratiempos al caos total en los equipos y en el producto final.[17] Sobre la calidad del aire la Norma International Standards Organisation (ISO) estableció seis clases de calidad del aire comprimido que quedaron definidas en la norma ISO 8573-1. [17] Por la complejidad y la aplicación del sistema de aire comprimido que se diseñó para el Taller mecánico de la Empresa MONCAR Centro se definió su clase, según la norma ISO 8573-1, para fabricación general, troquelado de metales, herramientas neumáticas, las cuales son las empleadas para este proyecto, así como estampación, montaje, pintura y acabado. 2.2 Procedimiento para el diseño de un Sistema de aire comprimido industrial Paso No.1 Definición de los parámetros de operación y diseño. Estos valores se establecen en función de las condiciones ambientales, de la situación geográfica del taller y de los requisitos de presión y temperatura de los consumidores.[18] Las condiciones normales de operación suelen fijarse en torno a las condiciones ambientales. Se necesita conocer también la presión mínima necesaria de funcionamiento de la maquinaría neumática, o al menos estimarla, para poder fijar un valor mínimo de presión necesaria en el suministro de aire (Pmin); ya que de ella dependerá el dimensionamiento del compresor. En la tabla 2.1 aparecen los principales parámetros necesarios. [18] Tabla 2.1. Principales parámetros de operación a tener en cuenta Parámetros. Obervaciones. Presión del aire de admisión. En Bar. Temperatura del aire de admisión. Temperatura ambiente en ºC. Humedad relativa del aire. En porciento. Paso No. 2 Identificación de sistemas y elementos neumáticos. Como se puede apreciar en el organigrama de la figura 2.1 es necesario establecer la secuencia de la distribución de los equipos en la instalación de aire comprimido. Posteriormente se valora si el sistema va a utilizar los filtros propuestos. Para ello se tiene en cuenta la calidad de aire 20.

(28) Capítulo II: Metodología para el dimensionamiento de una instalación de aire comprimido comprimido que se exige, según la norma ISO 8573-1:2001 de aire para aplicaciones industriales y la utilización de estos equipos de tratamiento de aire en el sistema.. Figura 2.1. Organigrama de una instalación de aire comprimido. El filtrado previo del aire se realiza con el fin de evitar problemas de mantenimiento, y alargar la vida útil de la máquina, que el aire penetre en los cilindros del compresor lo más limpio posible, con ausencia de impurezas y de partículas en suspensión. En la figura 2.2 se puede apreciar las características de un filtro y sus principales componentes.. Figura 2.2. Filtro neumático. La Empresa MONCAR, de Santa Clara, cuenta con 4 compresores volumétricos alternativos del tipo pistón, de ellos, normalmente, trabajarán tres y se usará el cuarto para remplazar en casos de rotura. Un ejemplo de este tipo de compresor se muestra en la figura 2.3, cuyo principio de funcionamiento está basado en la ecuación de estado de comportamiento de los gases. Cada compresor cuenta con manómetro, válvula de seguridad y purga como elementos de seguridad.. 21.

(29) Capítulo II: Metodología para el dimensionamiento de una instalación de aire comprimido. Figura 2.3. Compresor a pistón El depósito de almacenamiento .Este depósito evita el funcionamiento continuo de las máquinas compresoras, logrando una respuesta de suministro de aire inmediata una vez que sea demandada por las herramientas. La refrigeración-separador es un intercambiador de calor con agua fría, tiene por función refrigerar el aire de unos 130 C° hasta 30-35 C° aproximadamente, consiguiendo eliminar por condensación del orden del 80% del agua contenida en él una vez disminuida la temperatura. En la figura 2.4 se puede apreciar un ejemplo de refrigerador con todas sus partes. Este en caso de ser necesario será seleccionado por catálogo.. Figura 2.4. Sistema de refrigeración. La eliminación de impurezas se lleva a cabo mediante un tratamiento de filtrado dispuesto a la salida del depósito para eliminar el aceite y otros tipos de partículas sólidas inmersas en el aire. Equipos de mantenimiento con que contará cada compresor y será seleccionado por catálogo. El Secado tiene como finalidad eliminar el agua que todavía tiene el aire, siendo luego muy leve 22.

(30) Capítulo II: Metodología para el dimensionamiento de una instalación de aire comprimido la posibilidad de condensado en ese trayecto. Como se aprecia en la figura 2.5, la red de distribución está constituida por tuberías y acometidas que llevarán el aire hasta las herramientas. En la presente investigación se proyecta una red mixta, o sea formada por circuitos cerrados de los que parten algunos ramales.. Figura 2.5. Red de distribución de un sistema neumático. En los circuitos cerrados los consumos pueden ser atendidos por diferentes caminos consiguiéndose un reparto de caudales óptimo que produce pérdidas de carga mínimas en las tuberías y por tanto presiones máximas en las acometidas, adecuándose en todo momento a la distribución de consumos totalmente cambiantes en este tipo de instalaciones. El trazado de las tuberías se realizará de forma aérea a partir de una atura de 3.30 metros saliendo de la central de compresores. Teniendo en cuenta la necesidad de ser cuidadosos con la garantía de que el aire comprimido llegue a los puntos de consumo sin humedad, cuidando la vida útil de los equipos neumáticos, se toman una serie de medidas en la red a pesar de los tratamientos del aire en la central de compresores como se había aclarado anteriormente. Se destina una pendiente para las tuberías de 1º en dirección al flujo, de manera que el agua que pudiera condensar sea arrastrada hacia abajo, para lo cual contará con purgas dispuestas de 25 a 30 metros y aprovechando los cambio de pendiente o dirección donde no deben faltar. Las tuberías irán aéreas por las paredes y apoyadas en ménsulas aprovechando la propia estructura de la nave, dichos puntos de sujeción se situarán a distancia no mayor de 4 metros. Las acometidas de la red se ejecutarán siempre por la parte superior de la tubería, conocida como ¨cuello de cisne¨ formando un codo de 180º con el objetivo de dificultar al máximo que el agua condensada sea arrastrada por el aire hacia el consumo, como se puede ver en la figura 2.6.. 23.

(31) Capítulo II: Metodología para el dimensionamiento de una instalación de aire comprimido. Figura 2.6. Parte superior de la tuberia ¨Cuello de cisne¨ La columna de la acometida concluirá en su parte inferior en un purgador que elimine el agua que pudiera condensar y la salida del consumo por tanto se realizará por un lateral de la tubería a cierta altura, donde previo a la toma para el equipo neumático se instalará un equipo de mantenimiento consistente en regulador de presión con manómetro, deshumificador y lubricador. El regulador de presión adecua la presión requerida por la herramienta siempre que esta sea inferior a la de llegada a este punto. El deshumificador elimina el último vestigio de agua condensada que pueda llegar a este punto a pesar de las precauciones adoptada. A la salida de cada equipo de mantenimiento llevará conectada una toma rápida con el fin de dar a la instalación la mayor facilidad de uso. Estos enchufes tienen la propiedad de abrir su paso en el momento en que se acopla a ellos la toma de la herramienta y se cierra cuando se desacopla. Con el fin de suplir la distancia que debe existir entre dicha toma y la herramienta se utilizan mangueras flexibles que se adaptan a los cambios de dirección y a los posibles movimientos de los equipos. En la figura 2.7 se puede ver el sistema de purgado final antes de la herramienta mecánica y también el equipo de mantenimiento con su filtro y su lubricador.. Figura 2.7. Equipo de mantenimiento y purga. 24.

(32) Capítulo II: Metodología para el dimensionamiento de una instalación de aire comprimido El material para las tuberías de aire comprimido, según la bilbligrafía, es el acero al carbono, pero teniendo en cuenta que el gran inconveniente del acero es su baja resistencia a la corrosión, pues al contacto con el aire y la humedad se oxida facilmente y puede llegar a destruirse por completo. Así pues, las tuberías de acero necesitan una protección superficial de galvanizado. Este tipo de tubería está fabricado en acero soldado longitudinalmente y protegido interior y exteriormente con un recubrimiento galvanizado, conforme a la Norma UNE EN 10240[19]. Por lo anterior se propone la utilización de acero galvanizado. Las tuberías deberán estar pintadas según nomenclatura y conceptos utilizados por la norma IRAM 2507/65.[20] Paso No. 3 Determinación de las Presiones de operación: Se determina la presión más elevada (Pmax ) que requieren estos elementos así como la mínima de funcionamiento de los equipos (Pmin ). Las herramientas neumáticas, que dependerán del aire de servicios, tienen por lo general una presión de trabajo entre 6-7 bar. Del aire de instrumentación dependerán los equipos de la planta y las válvulas de control, las presiones normales de operación en este caso van de los 8-9 bar; un poco más altas que las del aire de servicios. [18] Paso No. 4 Determinación de los factores para dimensionamiento: Las fugas dependen del número y del tipo de conexiones, de la calidad de la instalación, de los años de la misma y de la presión de trabajo, es difícil determinar un valor esperado de fugas en la instalación. Como regla general, es de esperar que muchos puntos de consumo con necesidades bajas tendrán muchas más fugas que pocos puntos de consumo con necesidades de caudal altas. Instalaciones bien conservadas presentan normalmente fugas que rondan entre el 2 y el 5% pero las de varios años de servicio pueden llegar al 10%. Si además, las condiciones de mantenimiento son malas, estas pueden llegar a alcanzar valores del 25%. [18] Otro factor que se ha de tener en cuenta al diseñar una instalación de aire comprimido es una probable ampliación de las instalaciones a corto/medio plazo. Por ello se va a sobredimensionar el tamaño de las conducciones principales entorno a un factor del 10%.[18] Paso No. 5 Dimensionamiento de la red de aire comprimido. Para determinar el caudal de sumistro necesario se eligieron las herramientas neumáticas por catálogo, con sus consumos y presiones de trabajo, teniendo en cuenta un factor de sobredimensionamiento y fugas, así como un factor de simultáneidad de funcionamiento. Para las necescidades del taller mecánico de la empresa MONCAR, en consulta con los especialitas se propusieron las herramientas neumáticas que se muestran en la tabla 2.2 por el catálogo Ingersoll Rand. [21]: 25.

(33) Capítulo II: Metodología para el dimensionamiento de una instalación de aire comprimido Tabla 2.2. Herramientas por tramos. Tramos. A-B. B-C. C-D. D-E. Q. Aspiradoras de aceite. (l/min). 2. Atornillador. (l/min). 1. Remachadora. (l/min). 1. Pistola de pintar. (l/min). 1. Atornillador. (l/min). 2. Taladro 13 mm. (l/min). 1. Llave de impacto 1/4. (l/min). 1. Llave de impacto 3/4. (l/min). 1. Disco de corte. (l/min). 1. Taladro 13 mm. (l/min). 1. Pistola de pintar. (l/min). 1. Sizalla. (l/min). 1. Lijadora. (l/min). 1. Atornillador. (l/min). 5. Llave de impacto 1/4. (l/min). 4. TOTAL. . Cantidad de unidades. Herramientas. 24. Determinacion del diámetro de la tuberia. Una influencia directa en el rendimiento de los compresores, de los consumidores y por lo tanto en los costos de la generación de aire comprimido implica naturalmente también el correcto dimensionamiento de la red de aire comprimido. [4]. Los criterios más importantes para el dimensionamiento de la red de aire comprimido son los siguientes: flujo volumétrico, presión de servicio, largo de la tubería y caída de presión. Bajo consideración de estos criterios se determinaron los diámetros necesarios para las tuberías principales y las acometidas por varias variantes, seccionando siempre la red por tramos de consumo. Utilizando las longitudes de tubería, los consumos de herramientas y caída de presión. 26.

(34) Capítulo II: Metodología para el dimensionamiento de una instalación de aire comprimido Variante No. 1. Enmpleando el Nomograma. Sobre la base de los diagramas/nomogramas convencionales de Dimensionamiento. manual de neumática de FMA Pokorny, Francfort (figura 2.8), se calculan los diámetros de las tuberias. Para ello se parte de la longitud del tubo, marcada en la columna A (longitud M tubo) y se une con una línea con el valor marcado en la columna B (cantidad de aire aspirado) y se prolonga el trazo hasta la columna C (eje l). Posteriormente se traza una línea, uniendo el valor de presión de la columna la línea E(presión) con la columna F (eje 2). Al unir los puntos de intersección de los ejes 1 y 2 con otra línea se obtiene el valor del diámetro nominal de la tubería, donde esta línea corta a la columna D en un punto que proporciona el diámetro deseado. [4]. Figura 2.8. Nomogramas convencionales de dimensionamiento.[22] Variante No. 2. Mediante una expresión analítica[4]. 5. 1.6∗103 ∗𝐿∗𝑄 1.85. D= √. 2.1. 𝑃∗∆𝑝. Donde¨: Q: Caudal en m3/s. P:Presión en Pa.. ∆𝑃:Caida de presión que se considera 10 000Pa. L: Longitud en m. 27.

(35) Capítulo II: Metodología para el dimensionamiento de una instalación de aire comprimido Variante No. 3 Con el empleo de tablas convencionales en las cuales se puede consultar el diámetro directamente. [4] En la tabla 2.3 se puede seleccionar el diámetro utilizando el caudal máximo recomendado en tuberías de aire a presión para longitudes no superiores a 15m. [23] Tabla 2.3. Diámetro nominal de las tuberías estándar. . Analizando el tipo de accesorio por tramos y la longitud del mismo también se puede hallar el diámetro de la tubería normalizado de acuerdo a los parametros que se relacionan en la tabla 2.4.[23]. Tabla 2.4 Diámetro según los accesorios empleados.. . Determinacion de las pérdidas en las tuberias.. Para calcular las pérdidas de presión singulares es necesario auxiliarse de tablas de datos de los suministradores. La tabla 2.5 muestra las pérdidas de carga localizadas para distintos elementos que se pueden encontrar en las instalaciones neumáticas. [4] 28.

(36) Capítulo II: Metodología para el dimensionamiento de una instalación de aire comprimido Tabla 2.5. Pérdidas en kgf/cm2 por rozamientos en accesorios usados en tuberías. [23]. Para los elementos de válvulas y calderas, las pérdidas de presión se estiman relacionando la pérdida de energía con el término cinético de la ecuación de Bernoulli, mediante el uso de un coeficiente adimensional que variará.[18] 𝑣2. ∆𝑃 = 𝑘 2𝑔 V=. 𝑄. 2.2 2.3. 𝐴. A=π*R2. 2.4. Donde ∆P: Pérdidas producidas en la tubería en metros. V: Velocidad del flujo en m/s. K: Coeficiente determinado en forma empírica para cada tipo de punto singular. G: Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2 Q: Caudal en m3 /s A: Sección de la tubería en m2 R: Radio de la tubería en m. De este valor sacaremos el diámetro con D= 2R. [18] Para ello se tuvo en cuenta que el criterio de velocidad para tuberías de aire comprimido se encuentra de los 6- 10 m/s, aunque en los colectores principales del sistema se puede llegar a admitir velocidades de hasta los 20 m/s. [18]. Si se fija la velocidad máxima en 10 m/s y la mínima en 6 m/s se obtienen los diámetros máximos y mínimos respectivamente para los cuales se cumplen las condiciones de caudal y velocidad.[18] El coeficiente K depende del tipo de singularidad. En la tabla 2.6 se muestran algunos valores de las singularidades más típicas: 29.