Libro de Neumatica y Circuitos Neumaticos

Texto completo

(1)NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 1.

(2) La neumática constituye una herramienta muy importante dentro del control automático en la industria, enumeramos aquí los conceptos más importantes destinados a operarios y encargados de mantenimiento. 1. Introducción 1.1 La evolución en la técnica del aire comprimido El aire comprimido es una de las formas de energía más antiguas que conoce el hombre y aprovecha para reforzar sus recursos físicos. El descubrimiento consciente del aire como medio - materia terrestre - se remonta a muchos siglos, lo mismo que un trabajo más o menos consciente con dicho medio. El primero del que sabemos con seguridad es 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. De los antiguos griegos procede la expresión "Pneuma", que designa la respiración, el viento y, en filosofía, también el alma. Como derivación de la palabra "Pneuma" se obtuvo, entre otras cosas el concepto “Neumática que trata los movimientos y procesos del aire”. 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. Sólo desde aprox. 1950 podemos hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en los procesos de fabricación. Es cierto que con anterioridad ya existían algunas aplicaciones y ramos de explotación como por ejemplo en la minería, en la industria de la construcción y en los ferrocarriles (frenos de aire comprimido). La irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se inició, sin embargo, hasta que llegó a hacerse más acuciante la exigencia de una automatización y racionalización en los procesos de trabajo. 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 de que en los ramos industriales más variados se utilicen aparatos neumáticos. Ventajas de la Neumática  . El aire es de fácil captación y abunda en la tierra El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos de chispas.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 2.

(3)      . Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y fácilmente regulables El trabajo con aire no daña los componentes de un circuito por efecto de golpes de ariete. Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que dañen los equipos en forma permanente. Los cambios de temperatura no afectan en forma significativa. Energía limpia Cambios instantáneos de sentido. Desventajas de la neumática      . . .    . En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables 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 generados por la descarga del aire hacia la atmósfera Física de sólidos y fluidos En general la materia se clasifica como uno de tres estados: sólido, líquido o gaseoso. Por la experiencia cotidiana sabemos que un sólido tiene un volumen y forma definidos. Un ladrillo mantiene su forma y tamaño día tras día. Sabemos también que un líquido tiene un volumen definido, mas no una forma definida. Por ejemplo, podemos echar leche en cualquier frasco y ésta siempre cabrá, claro, también depende de la capacidad de la vasija. Por último, un gas no tiene ni volumen ni forma definidos. Ejemplo de esto son las nubes, a las que siempre vemos con formas caprichosas. Estas definiciones nos ayudan a ilustrar los estados de la materia, aunque son un poco artificiales. Por ejemplo, el asfalto y los plásticos por lo general se consideran sólidos, pero durante largos espacios de tiempo tienden a fluir como líquidos. Asimismo, la mayor parte de las sustancias pueden ser un sólido, líquido o gas (o combinaciones de éstos), según la temperatura y presión. En general, el tiempo que, tarda una sustancia particular en cambiar su forma en respuesta a una fuerza externa determina si consideramos a la sustancia como líquido, sólido o gas. Un fluido es un conjunto de moléculas distribuidas al azar que se mantienen unidas por fuerzas cohesivas débiles y por fuerzas ejercidas por las paredes de un recipiente. Tanto los líquidos como los gases son fluidos. Pero, ¿qué son las fuerzas cohesivas? Las fuerzas cohesivas, o de cohesión son las fuerzas con que se mantienen unidas las moléculas de un cuerpo. Características y diferencias entre sólidos y gases Características de los sólidos -Tienen forma y volumen definidos. -No toman la forma del recipiente que los contiene. -Sus fuerzas de cohesión son estables.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 3.

(4) . . Ejemplos: Un cuaderno, por más que lo dobles y maltrates no va a perder nunca su forma ni a aumentar o disminuir de tamaño; un borrador entrará en un estuche más grande pero no en uno más chico y por último, un lápiz no se va a desintegrar de la nada, se hará polvo si lo rompemos en pedacitos. Características de los gases -No tienen forma ni volumen definidos. -Toman la forma del recipiente que los contiene. -Sus fuerzas de cohesión son inestables.. 1.2 Propiedades del aire comprimido .   . .  . .  . . Causará asombro el hecho de que la neumática se haya podido expandir en tan corto tiempo y con tanta rapidez. Esto se debe, entre otras cosas, a que en la solución de algunos problemas de automatización no puede disponerse de otro medio que sea más simple y más económico. ¿Cuáles son las propiedades del aire comprimido que han contribuido a su popularidad? · Abundante: Está disponible para su compresión prácticamente en todo el mundo, en cantidades ilimitadas. · Transporte: El aire comprimido puede ser fácilmente transportado por tuberías, incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberías de retorno. · Almacenable: No es preciso que un compresor permanezca continuamente en servicio. El aire comprimido puede almacenarse en depósitos y tomarse de éstos. Además, se puede transportar en recipientes (botellas). · Temperatura: El aire comprimido es insensible a las variaciones de temperatura, garantiza un trabajo seguro incluso a temperaturas extremas. · Antideflagrante: No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por lo tanto, no es necesario disponer instalaciones antideflagrantes, que son caras. · Limpio: El aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidad en elementos, no produce ningún ensuciamiento Esto es muy importante por ejemplo, en las industrias alimenticias, de la madera, textiles y del cuero . · Constitución de los elementos: La concepción de los elementos de trabajo es simple si, por tanto, precio económico. · Velocidad: Es un medio de trabajo muy rápido y, por eso, permite obtener velocidades de trabajo muy elevadas.(La velocidad de trabajo de cilindros neumáticos pueden regularse sin escalones.) · A prueba de sobrecargas: Las herramientas y elementos de trabajo neumáticos pueden hasta su parada completa sin riesgo alguno de sobrecargas.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 4.

(5)  .  . . . Para delimitar el campo de utilización de la neumática es preciso conocer también las propiedades adversas. · Preparación: El aire comprimido debe ser preparado, antes de su utilización. Es preciso eliminar impurezas y humedad (al objeto de evitar un desgaste prematuro de los componentes). · Compresible: Con aire comprimido no es posible obtener para los émbolos velocidades uniformes y constantes. · Fuerza: El aire comprimido es económico sólo hasta cierta fuerza. Condicionado por la presión de servicio normalmente usual de 700 kPa (7 bar), el límite, también en función de la carrera y la velocidad, es de 20.000 a 30.000 N (2000 a 3000 kp). · Escape: El escape de aire produce ruido. No obstante, este problema ya se ha resuelto en gran parte, gracias al desarrollo de materiales insonorizantes. · Costos: El aire comprimido es una fuente de energía relativamente cara ; este elevado costo se compensa en su mayor parte por los elementos de precio económico y el buen rendimiento (cadencias elevadas).. 1.3 Rentabilidad de los equipos neumáticos .  . Como consecuencia de la automatización y racionalización, la fuerza de trabajo manual ha sido reemplazada por otras formas de energía; una de éstas es muchas veces el aire comprimido Ejemplo: Traslado de paquetes, accionamiento de palancas, transporte de piezas etc. El aire comprimido es una fuente cara de energía, pero, sin duda, ofrece indudables ventajas. La producción y acumulación del aire comprimido, así como su distribución a las máquinas y dispositivos suponen gastos elevados. Pudiera pensarse que el uso de aparatos neumáticos está relacionado con costos especialmente elevados. Esto no es exacto, pues en el cálculo de la rentabilidad es necesario tener en cuenta, no sólo el costo de energía, sino también los costos que se producen en total. En un análisis detallado, resulta que el costo energético es despreciable junto a los salarios, costos de adquisición y costos de mantenimiento.. 1.4 Fundamentos físicos . . La superficie del globo terrestre está rodeada de una envoltura aérea. Esta es una mezcla indispensable para la vida y tiene la siguiente composición:  Nitrógeno aprox. 78% en volumen Oxígeno aprox. 21% en volumen  Además contiene trazas, de bióxido de carbono, argón, hidrógeno, neón, helio, criptón y xenón. Para una mejor comprensión de las leyes y comportamiento del aire se indican en primer lugar las magnitudes físicas y su correspondencia dentro del. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 5.

(6) sistema de medidas. Con el fin de establecer aquí relaciones inequívocas y claramente definidas, los científicos y técnicos de la mayoría de los países están en vísperas de acordar un sistema de medidas que sea válido para todos, denominado "Sistema internacional de medidas", o abreviado "SI". . La exposición que sigue ha de poner de relieve las relaciones entre el "sistema técnico" y el "sistema de unidades SI".. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 6.

(7) NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 7.

(8) Como sobre la tierra todo está sometido a la presión atmosférica no notamos ésta. Se toma la correspondiente presión atmosférica Pamb como presión de referencia y cualquier divergencia de ésta se designa de sobrepresión, Pe. La siguiente figura lo visualiza. Figura 3:. La presión de aire no siempre es la misma. Cambia según la situación geográfica y el tiempo. La zona desde la línea del cero absoluto hasta la línea de referencia variable se llama esfera de depresión (-Pe) la superior se llama esfera de sobrepresión (+Pe). La presión absoluta Pabs consiste en la suma de las presiones -Pe y +Pe. En la práctica se utilizan manómetros que solamente indican la sobrepresión +Pe. Si se indica la presión Pabs el valor es unos 100 kPa (1 bar) más alto. Con la ayuda de las magnitudes básicas definidas pueden explicarse las leyes físicas fundamentales de la aerodinámica.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 8.

(9) 1.4.1 El aire es compresible 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). La ley que rige estos fenómenos es la de “Boyle - Mariotte”. A temperatura constante, el volumen de un gas encerrado en un recipiente es inversamente proporcional a la presión absoluta, o sea, el producto de la presión absoluta y el volumen es constante para una cantidad determinada de gas.. Esta ley se demuestra mediante el siguiente ejemplo. Figura 4.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 9.



(12) Figura 14: Diagrama de caudal En este diagrama están indicadas las zonas de cantidades de aire aspirado y la presión para cada tipo de compresor. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 12.

(13) Figura 14: Diagrama de caudal. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 13.

(14) 2. Producción del aire comprimido 2.1 Generadores Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumáticos se alimentan desde una estación central. Entonces no es necesario calcular ni proyectar la transformación de la energía para cada uno de los consumidores. El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las instalaciones a través de tuberías. Los compresores móviles se utilizan en el ramo de la construcción o en máquinas que se desplazan frecuentemente. En el momento de la planificación es necesario prever un tamaño superior de la red, con el fin de poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que se adquieran en el futuro. Por ello, es necesario sobredimensionar la instalación, al objeto de que el compresor no resulte más tarde insuficiente, puesto que toda ampliación ulterior en el equipo generador supone gastos muy considerables. Es muy importante que el aire sea puro. Si es puro el generador de aire comprimido tendrá una larga duración. También debería tenerse en cuenta la aplicación correcta de los diversos tipos de compresores. 2.2 Tipos de compresores Según las exigencias referentes a la presión de trabajo y al caudal de suministro, se pueden emplear diversos tipos de construcción. Se distinguen dos tipos básicos de compresores: El primero trabaja según el principio de desplazamiento. La compresión se obtiene por la admisión del aire en un recinto hermético, donde se reduce luego el volumen. Se utiliza en el compresor de émbolo (oscilante o rotativo). El otro trabaja según el principio de la dinámica de los fluidos. El aire es aspirado por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleración de la masa (turbina).. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 14.

(15) 2.2.1 Compresores de émbolo o de pistón Compresor de émbolo oscilante. Este es el tipo de compresor más difundido actualmente. Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presión. Su campo de trabajo se extiende desde unos 1 .100 kPa (1 bar) a varios miles de kPa (bar).. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 15.

(16) Figura 6: Compresor de émbolo oscilante. Este compresor funciona en base a un mecanismo de excéntrica que controla el movimiento alternativo de los pistones en el cilindro. Cuando el pistón hace la carrera de retroceso aumenta el volumen de la cámara por lo que aumenta el volumen de la cámara, por lo que disminuye la presión interna, esto a su vez provoca la apertura de la válvula de admisión permitiendo la entrada de aire al cilindro. Una vez que el pistón ha llegado al punto muerto inferior inicia su carrera ascendente, cerrándose la válvula de aspiración y disminuyendo el volumen disponible para el aire, esta situación origina un aumento de presión que finalmente abre la válvula de descarga permitiendo la salida del aire comprimido ya sea a una segunda etapa o bien al acumulador. Es el compresor mas difundido a nivel industrial, dada su capacidad de trabajar en cualquier rango de presión. Normalmente, se fabrican de una etapa hasta presiones de 5 bar, de dos etapas para presiones de 5 a 10 bar y para presiones mayores, 3 o mas etapas. Algunos fabricantes ya están usando tecnología denominada libre de aceite, vale decir, sus compresores no utilizan aceite lo que los hace muy apetecibles para la industria químico farmacéutica y hospitales. Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer varias etapas compresoras. El aire aspirado se somete a una compresión previa por el primer émbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido por el siguiente émbolo. El volumen de la segunda cámara de compresión es, en conformidad con la relación, más pequeño. Durante el trabajo de compresión se forma una cantidad de calor, que tiene que ser evacuada por el sistema refrigeración. Los compresores de émbolo oscilante pueden refrigerarse por aire o por agua, y según las prescripciones de trabajo las etapas que se precisan son:. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 16.

(17) Compresor de émbolo rotativo Consiste en un émbolo que está animado de un movimiento rotatorio. El aire es comprimido por la continua reducción del volumen en un recinto hermético.. Compresor de Diafragma (Membrana) Este tipo forma parte del grupo de compresores de émbolo. Una membrana separa el émbolo de la cámara de trabajo; el aire no entra en contacto con las piezas móviles. Por tanto, en todo caso, el aire comprimido estará exento de aceite. El movimiento obtenido del motor, acciona una excéntrica y por su intermedio el conjunto biela - pistón. Esta acción somete a la membrana a un vaivén de desplazamientos cortos e intermitentes que desarrolla el principio de aspiración y compresión. Debido a que el aire no entra en contacto con elementos lubricados, el aire comprimido resulta de una mayor pureza, por lo que lo hace especialmente aplicable en industrias alimenticias, farmacéuticas, químicas y hospitales.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 17.

(18) Compresor rotativo multicelular Un rotor excéntrico gira en el interior de un cárter cilíndrico provisto de ranuras de entrada y de salida. Las ventajas de este compresor residen en sus dimensiones reducidas, su funcionamiento silencioso y su caudal prácticamente uniforme y sin sacudidas. El rotor está provisto de un cierto número de aletas que se deslizan en el interior de las ranuras y forman las células con la pared del cárter. Cuando el rotor gira, las aletas son oprimidas por la fuerza centrífuga contra la pared del cárter, y debido a la excentricidad el volumen de las células varía constantemente. Tiene la ventaja de generar grandes cantidades de aire pero con vestigios de aceite, por lo que en aquellas empresas en que no es indispensable la esterilidad presta un gran servicio, al mismo tiempo el aceite pulverizado en el aire lubrica las válvulas y elementos de control y potencia.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 18.

(19) Compresor de tornillo helicoidal, de dos ejes Dos tornillos helicoidales que engranan con sus perfiles cóncavo y convexo impulsan hacia el otro lado el aire aspirado axialmente. Los tornillos del tipo helicoidal engranan con sus perfiles y de ese modo se logra reducir el espacio de que dispone el aire. Esta situación genera un aumento de la presión interna del aire y además por la rotación y el sentido de las hélices es impulsado hacia el extremo opuesto. Los ciclos se traslapan, con lo cual se logra un flujo continuo. A fin de evitar el desgaste de los tornillos, estos no se tocan entre si, ni tampoco con la carcasa, lo cual obliga a utilizar un mecanismo de transmisión externo que permita sincronizar el movimiento de ambos elementos. Entrega caudales y presiones medios altos (600 a 40000 m³/h y 25 bar) pero menos presencia de aceite que el de paletas. Ampliamente utilizado en la industria de la madera, por su limpieza y capacidad.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 19.

(20) Compresor Roots En estos compresores, el aire es llevado de un lado a otro sin que el volumen sea modificado. En el lado de impulsión, la estanqueidad se asegura mediante los bordes de los émbolos rotativos. Como ventaja presenta el hecho que puede proporcionar un gran caudal, lo que lo hace especial para empresas que requieren soplar, mover gran cantidad de aire, su uso es muy limitado. El accionamiento también se asegura exteriormente, ya que por la forma de los elementos y la acción del roce no es conveniente que los émbolos entren en contacto.. 2.2.2 Turbocompresores NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 20.

(21) Trabajan según el principio de la dinámica de los fluidos, y son muy apropiados para grandes caudales. Se fabrican de tipo axial y radial. El aire se pone en circulación por medio de una o varias ruedas de turbina. Esta energía cinética se convierte en una energía elástica de compresión. Compresor Axial El proceso de obtener un aumento de la energía de presión a la salida del compresor se logra de la siguiente manera. La rotación acelera el fluido en el sentido axial comunicándole de esta forma una gran cantidad de energía cinética a la salida del compresor, y por la forma constructiva, se le ofrece al aire un mayor espacio de modo que obligan a una reducción de la velocidad. Esta reducción se traduce en una disminución de la energía cinética, lo que se justifica por haberse transformado en energía de presión. Con este tipo de compresor se pueden lograr grandes caudales (200.000 a 500.000 m³/h) con flujo uniforme pero a presiones relativamente bajas (5 bar).. Compresor Radial En este caso, el aumento de presión del aire se obtiene utilizando el mismo principio anterior, con la diferencia de que en este caso el fluido es impulsado una o más veces en el sentido radial. Por efecto de la rotación, los álabes comunican energía cinética y lo dirigen radialmente hacia fuera, hasta encontrarse con la pared o carcasa que lo retorna al centro, cambiando su dirección. En esta parte del proceso el aire dispone de un mayor espacio disminuyendo por tanto la velocidad y la energía cinética, lo que se traduce en la transformación de presión. Este proceso se realiza tres veces en el caso de la figura, por lo cual el compresor es de tres etapas. Se logran grandes caudales pero a presiones también bajas. El flujo obtenido es uniforme.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 21.

(22) 2.3 Elección del compresor 2.3.1 Caudal. Por caudal se entiende la cantidad de aire que suministra el compresor. Existen dos conceptos. 1. El caudal teórico 2. El caudal efectivo o real En el compresor de émbolo oscilante, el caudal teórico es igual al producto de cilindrada * velocidad de rotación. El caudal efectivo depende de la construcción del compresor y de la presión. En este caso, el rendimiento volumétrico es muy importante. Figura 15:. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 22.

(23) Es interesante conocer el caudal efectivo del compresor. Sólo éste es el que acciona y regula los equipos neumáticos. Los valores indicados según las normas representan valores efectivos (p. ej.: DIN 1945). El caudal se expresa en m3/min ó m3/h. No obstante, son numerosos los fabricantes que solamente indican el caudal teórico. 2.3.2 Presión También se distinguen dos conceptos: La presión de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador y existe en las tuberías que alimentan a los consumidores. La presión de trabajo es la necesaria en el puesto de trabajo considerado. En la mayoría de los casos, es de 600 kPa (6 bar). Por eso, los datos de servicio de los elementos se refieren a esta presión. Importante: Para garantizar un funcionamiento fiable y preciso es necesario que la presión tenga un valor constante. De ésta dependen: - la velocidad - las fuerzas - el desarrollo secuencial de las fases de los elementos de trabajo. Figura 16:. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 23.

(24) 2.3.3 Accionamiento Los compresores se accionan, según las exigencias, por medio de un motor eléctrico o de explosión interna. En la industria, en la mayoría de los casos los compresores se arrastran por medio de un motor eléctrico. Generalmente el motor gira un número de rpm fijo por lo cual se hace necesario regular el movimiento a través de un sistema de transmisión compuesto en la mayoría de los casos por un sistema de poleas y correas. Aunque la aplicación anterior es la mas difundida y utilizada industrialmente, el elemento de accionamiento también puede ser un motor de combustión interna. Este tipo de energía es especialmente útil para trabajos en terreno en que no se cuenta con electricidad. Si se trata de un compresor móvil, éste en la mayoría de los casos se acciona por medio de un motor de combustión (gasolina, Diesel).. Figura 17 2.3.4. Regulación. Al objeto de adaptar el caudal suministrado por el compresor al consumo que fluctúa, se debe proceder a ciertas regulaciones del compresor. Existen diferentes clases de regulaciones. El caudal varía entro dos valores límites ajustados (presiones máxima y mínima). Regulación de marcha en vacío. Regulación de carga parcial. a) Regulación por escape a la atmósfera. a) Regulación de velocidad de rotación. b) Regulación por aislamiento de la aspiración. b) Regulación por estrangulación de la aspiración. Regulación por intermitencias. c) Regulación por apertura de la aspiración. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 24.

(25) Regulación de marcha en vacío: a) Regulación por escapo a la atmósfera En esta simple regulación se trabaja con una válvula reguladora de presión a la salida del compresor. Cuando en el depósito (red) se ha alcanzado la presión deseada, dicha válvula abre el paso y permite que el aire escape a la atmósfera. Una válvula antirretorno impide que el depósito se vacíe (sólo en instalaciones muy pequeñas). b) Regulación por aislamiento de la aspiración En este tipo de regulación se bloquea el lado de aspiración. La vía de aspiración del compresor está cerrada. El compresor no puede aspirar y sigue funcionando en el margen de depresión. Esta regulación se utiliza principalmente en los compresores rotativos y también en los de émbolo oscilante.. c) Regulación por apertura de la aspiración Se utiliza en compresores de émbolo de tamaño mayor. Por medio de una mordaza se mantiene abierta la válvula de aspiración y el aire circula sin que el compresor lo comprima. Esta regulación es muy sencilla.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 25.

(26) Regulación de carga parcial e) Regulación de la velocidad de rotación El regulador de velocidad del motor de combustión interna se ajusta en función de la presión de servicio deseada, por medio de un elemento de mando manual o automático. Si el accionamiento es eléctrico, la velocidad de rotación puede regularse de forma progresiva empleando motores de polos conmutables. No obstante, este procedimiento no es muy utilizado. b) Regulación del caudal aspirado Se obtiene por simple estrangulación de la vía de aspiración. El compresor puede ajustarse así a cargas parciales predeterminadas. Este sistema se presenta en compresores rotativos o en turbocompresores. Regulación por Intermitencias Con este sistema, el compresor tiene dos estados de servicio (funciona a plena carga o está desconectado). El motor de accionamiento del compresor se para al alcanzar la presión Pmax. Se conecta de nuevo y el compresor trabaja, al alcanzar el valor mínimo Pmin. Los momentos de conexión y desconexión pueden ajustarse mediante un presóstato. Para mantener la frecuencia de conmutación dentro de los límites admisibles, es necesario prever un depósito de gran capacidad.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 26.

(27) Figura 21: Regulación intermitente. 2.3.5 Refrigeración Por efecto de la compresión del aire se desarrolla calor que debe evacuarse. De acuerdo con la cantidad de calor que se desarrolle, se adoptará la refrigeración más apropiada. En compresores pequeños, las aletas de refrigeración se encargan de irradiar el calor. Los compresores mayores van dotados de un ventilador adicional, que evacua el calor. Figura 22:. Cuando se trata de una estación de compresión de más de 30 kW de potencia, no basta la refrigeración por aire. Entonces los compresores van equipados de un sistema de refrigeración por circulación de agua en circuito cerrado o abierto. A menudo se temen los gastos de una instalación mayor con torre de refrigeración. No obstante, una buena refrigeración prolonga la duración del compresor y proporciona aire más frío y en mejores condiciones. En ciertas circunstancias, incluso permite ahorrar un enfriamiento posterior del aire u operar con menor potencia.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 27.

(28) 2.3.6 Lugar de emplazamiento Ubicación de la estación compresora: Esta debe ubicarse en un lugar cerrado e insonorizado, a fin de minimizar el factor ruido. El recinto además debe contar con ventilación adecuada y el aire aspirado debe ser lo mas fresco, limpio y seco posible.. 2.3.7 Acumulador de aire comprimido El acumulador o depósito sirve para estabilizar el suministro de aire comprimido. Compensa las oscilaciones de presión en la red de tuberías a medida que se consume aire comprimido. Gracias a la gran superficie del acumulador, el aire se refrigera adicionalmente. Por este motivo, en el acumulador se desprende directamente una parte de la humedad del aire en forma de agua Figura 23: Acumulador. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 28.

(29) El tamaño de un acumulador de aire comprimido depende:     . Del caudal de suministro del compresor Del consumo de aire De la red de tuberías (volumen suplementario) Del tipo de regulación De la diferencia de presión admisible en el interior de la red.. Determinación del acumulador cuando el compresor funciona Intermitentemente El tamaño de un acumulador puede determinarse según el diagrama de la figura 24.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 29.


(31) COMPRESORES ALTERNATIVOS I. 1.- INTRODUCCIÓN Los compresores son máquinas que tienen por finalidad aportar una energía a los fluidos compresibles (gases y vapores) sobre los que operan, para hacerlos fluir aumentando al mismo tiempo su presión. En esta última característica precisamente, se distinguen de las soplantes y ventiladores que manejan grandes cantidades de fluidos compresibles (aire por ejemplo) sin modificar sensiblemente su presión, con funciones similares a las bombas de fluidos incompresibles. Un compresor admite gas o vapor a una presión p1 dada, descargándolo a una presión p2 superior, Fig I.4. La energía necesaria para efectuar este trabajo la proporciona un motor eléctrico o una turbina de vapor. Campo de utilización.- Los compresores alternativos tienen una amplia gama de volúmenes desplazados en el intervalo, 0 - 1000 m3/h, entrando en competencia con los de paletas, tornillo, etc.. Fig I.1.- Esquema del funcionamiento de un compresor alternativo, y partes de un compresor hermético.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 31.

(32) Fig I. 2.- Volumen barrido en un compresor alternativo. I.2.- FACTORES INCLUIDOS EN EL RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO REAL El ciclo teórico de trabajo de un compresor ideal se entiende fácilmente mediante el estudio de un compresor monofásico de pistón funcionando sin pérdidas y que el gas comprimido sea perfecto, Fig I.3.. Fig I.3.- Ciclo de trabajo teórico de un compresor ideal, sin pérdidas, con espacio muerto nulo y con un gas perfecto. Con esto se da por hecho que el pistón se mueve ajustado herméticamente al cilindro, e incluso se considera que el paso del aire hacia y desde el cilindro tiene lugar sin resistencias en válvulas y conductos, es decir, sin cambio de presión. El volumen de desplazamiento de un compresor es el volumen barrido en la unidad de tiempo por la cara o caras del pistón de la primera etapa, Fig I.2; en el caso de doble efecto, hay que tener en cuenta el vástago del pistón. El volumen desplazado VD por un compresor es el volumen de la cilindrada de la máquina multiplicado por el número de revoluciones de la misma. En el caso de ser un compresor de más de una etapa, el volumen engendrado viene indicado por la primera etapa. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 32.

(33) El espacio muerto o volumen nocivo V0 corresponde al volumen residual entre el pistón y el fondo del cilindro y las lumbreras de las válvulas, cuando el pistón está en su punto muerto, estimándose entre un 3% ¸ 10% de la carrera, de acuerdo con el modelo de compresor. Esto provoca un retraso en la aspiración debido a que el aire almacenado en el volumen residual a la presión p2 debe expansionarse hasta la presión p1 antes de permitir la entrada de aire en el cilindro. Sin embargo, su efecto es doble en razón a que si por un lado disminuye el volumen de aspiración, por otro ahorra energía, ya que la expansión produce un efecto motor sobre el pistón; se puede considerar que ambos efectos se compensan bajo el punto de vista energético. Si el compresor no tuviese espacio muerto, el volumen residual entre el punto muerto superior PMS y las válvulas de aspiración y escape sería 0; esta salvedad se hace en virtud de que la compresión del aire no se puede llevar, por razones físicas, hasta un volumen nulo, existiendo al extremo de la carrera del compresor un espacio muerto, que se corresponde con el menor volumen ocupado por el gas en el proceso de compresión.. Fig I.4.- Diagrama de un compresor alternativo ideal.. La causa principal de la disminución del volumen de gas efectivamente desplazado por un compresor es el espacio muerto o perjudicial. En el ciclo interno teórico del compresor, Fig I.4, al término de la compresión la presión es p2; el vapor comprimido pasa entonces a la línea de escape, recta (2-3), pero en el punto 3, punto muerto superior, queda todavía un volumen V0, espacio muerto. En la posterior carrera de retroceso (aspiración), este volumen V0 de gas se expansiona hasta el punto 4, presión pa, y es solamente entonces, al ser alcanzada la presión de la aspiración, cuando comienza la admisión de gas dentro del cilindro. Si la transformación (3-4) es una politrópica de exponente n se cumple:. -1. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 33.

(34) Siendo: Relación de compresión =. Retraso en la apertura de la válvula de admisión Hasta que la presión dentro del cilindro sea (pa - Δpa) (para vencer la tensión del resorte de la válvula de admisión) no se abrirá ésta; por lo tanto el vapor al entrar en el cilindro sufrirá una expansión Δpa (laminación) a su paso por el orificio de la válvula de admisión. Esto quiere decir que mientras dura la aspiración la presión del gas dentro del cilindro es menor que la reinante en la línea de aspiración. La consecuencia de este retraso en la apertura de la válvula de admisión es que el volumen admitido dentro es menor, pues parte de la carrera teórica de admisión del pistón se emplea en expansionar el gas desde pa hasta, pa - Δpa. Retraso en la apertura de la válvula de escape Por idéntico motivo, para que pueda salir el gas en el escape, deberá estar dentro del cilindro a una presión, pe + Δpe, ligeramente superior a la pe reinante en la línea de escape. En el supuesto de que en el punto muerto superior la presión dentro del espacio muerto no tenga tiempo material de igualarse a la pe de la línea de escape, el recorrido del pistón en el retroceso para la expansión del gas del espacio muerto, no ya desde pe hasta, pa - Δpa, sino desde, pe + Δpe, hasta, pa - Δpa, deberá ser mayor, disminuyendo también por este concepto la carrera útil de admisión del pistón, y por lo tanto el volumen realmente admitido en el cilindro. A señalar que los efectos debidos a los retrasos de apertura en las dos válvulas no están influenciados por el valor de la relación de compresión.. Calentamiento del cilindro El gas admitido en el cilindro en la carrera de admisión, se calienta al ponerse en contacto con las paredes interiores del cilindro, que están a temperatura más elevada por el rozamiento, y también por el hecho de que el gas comprimido no es perfecto, disminuyendo su densidad, o lo que es lo mismo, aumentando su volumen específico. Por esta razón, al final de la carrera de admisión el peso total de vapor admitido en el punto muerto inferior será menor, o lo que es lo mismo, el volumen aspirado, medido en las condiciones reinantes en la línea de aspiración, será menor que el barrido por el pistón en su carrera útil de admisión.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 34.

(35) A señalar que este calentamiento del cilindro es función de la relación de compresión y aumenta al elevarse ésta. La pared del cilindro se calienta por doble motivo: por contacto directo con el gas a alta temperatura y por rozamiento mecánico entre pistón y cilindro. Inestanqueidad de válvulas y segmentos Por este concepto, el volumen que realmente llega a impulsar el compresor es todavía menor; la Inestanqueidad aumenta igualmente al elevarse la relación de compresión. Eficiencia de la compresión La eficiencia de la compresión es una medida de las pérdidas que resultan de la divergencia entre el ciclo real o indicado y el ciclo teórico (isotrópico) de compresión. Estas pérdidas son debidas a que tanto el fluido como el compresor, no son ideales sino reales, es decir con imperfecciones y limitaciones tales como: a) Rozamiento interno a causa de no ser el fluido un gas perfecto y a causa también de las turbulencias b) Retraso en la apertura de las válvulas de admisión y escape c) Efecto pared del cilindro d) Compresión politrópica Los factores que determinan el valor del rendimiento de la compresión y del rendimiento volumétrico real del compresor, son los mismos. El diagrama del ciclo ideal de compresión se fija teóricamente y el del ciclo real de compresión se obtiene en el banco de ensayos mediante un sensor introducido en el volumen muerto del compresor, que transmite la presión reinante, que se registra en combinación con el movimiento del pistón, dando lugar al diagrama (p,v) interno de la máquina.. Fig I.5.- Diagrama real de trabajo de un compresor. Fig I.6.- Diagrama indicado del compresor real, con igualación de presiones en los puntos muertos. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 35.

(36) Fig I.7.- Diagrama indicado del compresor real, caso de no igualación de presiones en los puntos muertos. Fig I.8.- Diagrama teórico y real de trabajo de un compresor de una etapa.. DIAGRAMA INDICADO DEL COMPRESOR REAL Las áreas A, B, C y D que diferencian el ciclo real del ideal vienen motivadas por: A) La refrigeración, permite una aproximación del ciclo a una transformación isotérmica. Por falta de refrigeración, o por un calentamiento excesivo a causa de rozamientos, dicha área puede desaparecer. B) El trabajo necesario para efectuar la descarga del cilindro. C) El trabajo que el volumen perjudicial no devuelve al expansionarse el gas residual, y que es absorbido en la compresión. D) El trabajo perdido en el ciclo de aspiración. Las áreas rayadas B, C, D expresan las diferencias de trabajo efectuado en cada etapa del ciclo, entre el diagrama teórico y el diagrama real. El diagrama estudiado corresponde a un compresor de una sola etapa, cuyo ciclo de compresión se realiza rápidamente, sin dar tiempo a que el calor generado en la compresión del aire pueda disiparse a un refrigerante o intercambiador de calor, pudiéndose decir que el aire durante su compresión sigue una evolución adiabática. Si el área (12341) del diagrama indicado ideal representa el trabajo teórico de compresión, el área comprendida dentro del diagrama indicado real (sombreado), representará el trabajo real necesario para efectuar la compresión real; para obtener el valor del trabajo absorbido en el eje del compresor, a este trabajo hay que sumarle el perdido en vencer los rozamientos mecánicos del compresor. - Al final de la carrera de admisión, punto 1 muerto inferior, la velocidad del pistón disminuye hasta cero, igualándose las presiones del exterior pext y del interior del cilindro pa (aunque por la velocidad del pistón no exista tiempo material a que éste NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 36.

(37) equilibrio se establezca); la válvula de admisión está cerrada, así como la de descarga. - Al final de la carrera de escape, punto 3 muerto superior, la velocidad del pistón disminuye igualmente hasta cero, tendiendo la presión dentro del cilindro a regresar al valor de pe; la válvula de escape esta cerrada, así como la de admisión. - Para que la válvula de admisión abra durante la carrera de retroceso, es necesario que la presión reinante en el interior del cilindro sea inferior a la pa del vapor de admisión; esto ocurre por ejemplo en el punto 4', en donde, p4´ = pa Δpa, Fig I.6. En el instante de la apertura, la válvula se abre de golpe, tendiendo luego a cerrarse algo (supuesta eliminada la posibilidad real de que la válvula comience a vibrar, abriéndose-cerrándose- abriéndose, etc...) , con lo que la presión dentro del cilindro aún bajará algo más, hasta el punto 4" por ejemplo; por lo tanto, V1 - V4´, será el volumen ocupado al final de la admisión por el gas aspirado al interior del cilindro, medido a la presión de aspiración pa, pero a una temperatura superior, debido al efecto pared del cilindro, que se podría interpretar como que el cilindro permanece durante la compresión a una temperatura media, mientras que el fluido al comienzo de la compresión estará por debajo de ella y al final estará por encima, por lo que se puede considerar representado por dos calores, uno entrante y otro saliente. - En la carrera de compresión, para que la válvula de escape se abra, es necesario que la presión reinante dentro del cilindro sea superior a la pe de la línea de descarga; esto ocurre por ejemplo en el punto 2', en donde, p2 = pe + Δp, Fig I.6. En el instante de la apertura, ésta se producirá igualmente de golpe, volviendo a cerrarse y originando que la presión en el interior del cilindro suba algo más, hasta 2" por ejemplo; en la carrera de expulsión al estar el gas a mayor temperatura que la pared, ésta absorberá el calor del fluido. - En los procesos de compresión y expansión, el sentido de la transmisión del calor entre el vapor y las paredes del cilindro se invierte; en todo este razonamiento se ha supuesto que el compresor real carece de camisa de agua. Durante la última parte del proceso de expansión y en la inicial del de compresión, hemos visto que la temperatura de la pared era mayor que la del vapor, pasando por lo tanto calor de aquélla a éste; en la parte inicial del proceso de expansión y la final del de compresión, la temperatura del vapor es superior a la de la pared, por lo que el calor pasará de aquél a ésta; esto se puede interpretar como si el gas funcionase con un coeficiente poli-trópico variable. - Si se pretende representar todo esto en un diagrama termodinámico, resulta más sencillo y correcto definir los estados inicial y final 1 y 2, justo antes y después del compresor, como puntos de equilibrio termodinámico Así en el punto 1, antes de la válvula de admisión, las condiciones del gas o vapor son las existentes y conocidas de la línea de admisión. En el punto 2 (justo después de la válvula de escape a través de la cual el gas se habrá laminado, expandiéndose isoentálpicamente desde una presión comprendida entre, pe + Δpe, y pe, a otra que es la reinante pe en la línea de descarga; la presión es pe pero la temperatura, (valor que junto a la pe permite NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 37.

(38) determinar la posición del punto 2 en el diagrama termodinámico correspondiente), será función de todas las aportaciones y cesiones caloríficas, así como de las dos laminaciones que sufre el gas a lo largo de todo el ciclo interno del compresor real. Supuesto fijado correctamente el punto 2, midiendo por ejemplo su temperatura T2, de la transformación (1-2) sólo conocemos sus puntos inicial y final en el diagrama termodinámico, no pudiendo ser considerada como una politrópica, como hasta ahora se ha venido haciendo, pues como se ha descrito en el ciclo real indicado, tienen lugar operaciones que termodinámicamente no tienen sentido incluirlas en una politrópica. Lo que sí es cierto, supuesto correctamente fijado el punto 2, es que, i2 - i1, representa el trabajo neto realizado por el compresor real y que este valor coincide con el área que el diagrama indicado real proporciona, por lo que se tiene otra forma diferente de determinar el punto 2, mediante el diagrama indicado real referido a 1 Kg de gas en la admisión y escape, calculando su superficie a, por lo que: i2 - i1 = a >> i2 = a + i1 La camisa de agua de refrigeración en un cilindro hace que T2 sea menor, disminuyendo el valor de, i2 - i1. No es correcto representar en el diagrama termodinámico puntos tales como el 2", 2"' , etc..., que representan la presión de una parte del gas comprimido, y no la del resto que ya ha salido y estará por lo tanto a la presión de escape pe. 3. Distribución del aire comprimido Como resultado de la racionalización y automatización de los dispositivos de fabricación, las empresas precisan continuamente una mayor cantidad de aire. Cada máquina y mecanismo necesita una determinada cantidad de aire, siendo abastecido por un compresor, a través de una red de tuberías. El diámetro de las tuberías debe elegirse de manera que si el consumo aumenta, la pérdida de presión entre él depósito y el consumidor no sobrepase 10 kPa (0,1 bar). Si la caída de presión excede de este valor, la rentabilidad del sistema estará amenazada y el rendimiento disminuirá considerablemente. En la planificación de instalaciones nuevas debe preverse una futura ampliación de la demanda de aire, por cuyo motivo deberán dimensionarse generosamente las tuberías. El montaje posterior de una red más importante supone costos dignos de mención. 3.1 Dimensionado de las tuberías El diámetro de las tuberías no debería elegirse conforme a otros tubos existentes ni de acuerdo con cualquier regla empírica, sino en conformidad con: - el caudal - la longitud de las tuberías - la pérdida de presión (admisible) la presión de servicio la cantidad de estrangulamientos en la red NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 38.

(39) En la práctica se utilizan los valores reunidos con la experiencia. Un nomograma (figura 25) ayuda a encontrar el diámetro de la tubería de una forma rápida y sencilla.. Cálculo de una tubería: El consumo de aire en una industria es de 4 m3/min (240 m3/h). En 3 años aumentará un 300%, lo que representa 12 m3/min (720 m3/h). El consumo global asciende a 16 m3/min (960 m3/h) La red tiene una longitud de 280 m; comprende 6 piezas en T, 5 codos normales, 1 válvula de cierre. La pérdida admisible de presión es de A p = 10 kPa (0,1 bar). La presión de servicio es de 800 kPa (S bar).. Se busca: El diámetro de la tubería El nomograma de la figura 25, con los datos dados, permite determinar el diámetro provisional de las tuberías. solución: En el nomograma, unir la línea A (longitud M tubo) con la B (cantidad de aire aspirado) y prolongar el trazo hasta C (eje l). Unir la línea E,(presión). En la línea F (eje 2) se obtiene una intersección. Unir los puntos de intersección de los ejes 1 y 2. Esta línea corta la D (diámetro nominal de la tubería) en un punto que proporciona el diámetro deseado. En este caso, se obtiene para el diámetro un valor de 90 mm.. Las resistencias de los elementos estranguladores (válvula de cierre, válvula esquinera, pieza en T, compuerta, codo normal) se indican en longitudes supletorias. Se entiende por longitud supletoria la longitud de una tubería recta que ofrece la misma resistencia al flujo que el elemento estrangulador o el punto de estrangulación. La sección de paso de la "tubería de longitud supletoria" es la misma que la tubería. Un segundo nomograma (figura 26) permite averiguar rápidamente las longitudes supletorias.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 39.

(40) Tomado del manual de neumática de FMA Pokorny, Francfort. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 40.


(42) Con esta longitud total de tubería de 380 m, el consumo de aire, la pérdida de presión y la presión de servicio se puede determinar, como en el problema anterior, con ayuda del nomograma (figura 25) el diámetro definitivo de las tuberías. En este caso, el diámetro es de 95 mm. 3.2 Tendido de la red No solamente importa el dimensionado correcto de las tuberías, sino también el tendido de las mismas. Las tuberías requieren un mantenimiento y vigilancia regulares, por cuyo motivo no deben instalarse dentro de obras ni en emplazamientos demasiado estrechos. En estos casos, la detección de posibles fugas se hace difícil. Pequeñas faltas de estanqueidad ocasionan considerables pérdidas de presión.. En el tendido de las tuberías debe cuidarse, sobre todo, de que la tubería tenga un descenso en el sentido de la corriente, del 1 al 2%. En consideración a la presencia de condensado, las derivaciones para las tomas aire en el caso de que las tuberías estén tendidas horizontalmente, se dispondrán siempre en la parte superior del tubo. Así se evita que el agua condensada que posiblemente en encuentre en la tubería principal llegue a través de las tomas. Para recoger y vaciar el agua condensada se disponen tuberías especiales en la parte inferior de la principal.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 42.

(43) En la mayoría de los casos, la red principal se monta en circuito cerrado. Desde la tubería principal se instalan las uniones de derivación. Con este tipo de montaje de la red de aire comprimido se obtiene una alimentación uniforme cuando el consumo de aire es alto. El aire puede pasar en dos direcciones.. En la red cerrada con interconexiones hay un circuito cerrado, que permite trabajar en cualquier sitio con aire, mediante las conexiones longitudinales y transversales de la tubería de aire comprimido, Ciertas tuberías de aire comprimido pueden ser bloqueadas mediante válvulas de cierre (correderas) si no se necesitan o si hay que separarlas para efectuar reparaciones y trabajos de mantenimiento. También existe la posibilidad de comprobar faltas de estanqueidad.. 3.3 Material de tuberías 3.3.1 Tuberías principales Para la elección de los materiales brutos, tenemos diversas posibilidades: Cobre Tubo de acero negro Latón Tubo de acero galvanizado Acero fino Plástico NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 43.

(44) Las tuberías deben poderse desarmar fácilmente, ser resistentes a la corrosión y de precio módico. Las tuberías que se instalen de modo permanente se montan preferentemente con uniones soldadas. Estas tuberías así unidas son estancas y, además de precio económico. El inconveniente de estas uniones consiste en que al soldar se producen cascarillas que deben retirarse de las tuberías. De la costura de soldadura se desprenden también fragmentos de oxidación; por eso, conviene y es necesario incorporar una unidad de mantenimiento. En las tuberías de acero galvanizado, los empalmes de rosca no siempre son totalmente herméticos. La resistencia a la corrosión de estas tuberías de acero no es mucho mejor que la del tubo negro. Los lugares desnudos (roscas) también se oxidan, por lo que también en este caso es importante emplear unidades de mantenimiento. Para casos especiales se montan tuberías de cobre o plástico. 3.3.2 Derivaciones hacia los receptores Los tubos flexibles de goma solamente han de emplearse en aquellos casos en que se exija una flexibilidad en la tubería y no sea posible instalar tuberías de plástico por los esfuerzos mecánicos existentes. Son más caros y no son tan manipulables como las tuberías de plástico. Las tuberías de polietileno y poliamida se utilizan cada vez más en la actualidad para unir equipos de maquinaria. Con racores rápidos se pueden tender de forma rápida, sencilla y económica. 3.4 Uniones Describimos en lo sucesivo los dispositivos de uso común en neumática basándonos básicamente en los modelos Festo, para mas información sobre esta marca ingresar a su página web. 3.4.1 Racores para tubos Aplicables sobre todo para tubos de acero y de cobre Figura 30: Racores de anillo cortante. El empalme puede soltarse y unirse varias veces.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 44.

(45) figura 31: Racor con anillo de sujeción para tubos de acero y cobre, con anillo interior especial (bicono) también para tubos de plástico .. Figura 32: Racor con borde recalcado. Figura 33: Racor especial con reborde (para tubo de cobre con collarín). NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 45.

(46) 3.4.2 Acoplamientos Figura 34: Base de enchufe rápido. Figura 35: Racor de enchufe rápido. 3.4.3 Racores para tubos flexibles Figura 36: Boquilla con tuerca de racor. Figura 37: Boquilla. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 46.

(47) Figura 38: Racores rápidos para tubos flexibles de plástico. Racor CS. 4. Preparación del aire comprimido 4.1 Impurezas En la práctica se presentan muy a menudo los casos en que la calidad del aire comprimido desempeña un papel primordial. Las impurezas en forma de partículas de suciedad u óxido, residuos de aceite lubricante y humedad dan origen muchas veces a averías en las instalaciones neumáticas y a la destrucción de los elementos neumáticos. Deben eliminarse todas las impurezas del aire, ya sea antes de su introducción en la red distribuidora o antes de su utilización. Las impurezas que contiene el aire pueden ser:  Sólidas. Polvo atmosférico y partículas del interior de las instalaciones  Líquidas. Agua y niebla de aceite  Gaseosas. Vapor de agua y aceite Los inconvenientes que estas partículas pueden generar son:  . Sólidas. Desgaste y abrasiones, obstrucciones en los conductos pequeños. Líquidas y gaseosas. El aceite que proviene de la lubricación de los compresores provoca: formación de partículas carbonases y depósitos gomosos por oxidación y contaminación del ambiente al descargar las válvulas. Por otro lado el agua en forma de vapor provoca: oxidación de tuberías y elementos, disminución de los pasos efectivos de las tuberías y elementos al acumularse las condensaciones, mal acabado en operaciones de pintura.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 47.

(48) En la actualidad se ha desarrollado y se está difundiendo cada vez con mayor velocidad los compresores libre de aceite, especialmente desarrollado para la industria alimenticia y farmacéutica, estos pueden ser del tipo pistón o tornillo, la gran ventaja de estos equipos es la entrega de un aire limpio, de alta pureza, pero siempre necesita un sistema de filtración posterior. Mientras que la mayor separación del agua de condensación tiene lugar en el separador, después de la refrigeración, la separación fina, el filtrado y otros tratamientos del aire comprimido se efectúan en el puesto de aplicación. Hay que dedicar especial atención a la humedad que contiene el aire comprimido. El agua (humedad) llega al interior de la red con el. aire que aspira el compresor. La cantidad de humedad depende en primer lugar de la humedad relativa del aire, que -a su vez depende de la temperatura del aire y de las condiciones climatológicas. La humedad absoluta es la cantidad de agua contenida en un m3 de aire. El grado de saturación es la cantidad de agua que un m3 de aire puede absorber, como máximo, a la temperatura considerada. La humedad es entonces del 100%, como máximo (temperatura del punto de rocío). El diagrama de la figura 39 muestra la saturación del aire en función de la temperatura.. Ejemplo: Para un punto de rocío de 293 K (20'C), la humedad contenida en un m3 de aire es de 17,3 g. Remedio: Filtrado correcto del aire aspirado por el compresor Utilización de compresores exentos de aceite. Si el aire comprimido contiene humedad, habrá de someterse a un secado. Existen varios procedimientos: - Secado por absorción - Secado por adsorción - Secado por enfriamiento Figura 39: Característica del punto de rocío. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 48.

(49) Ejemplo: Para un punto de rocío de 313 K (40 C) la humedad contenida en un m3 de aire es de 50 gramos. Secado por absorción El secado por absorción es un procedimiento puramente químico. El aire comprimido pasa a través de un lecho de sustancias secantes. En cuanto el agua o vapor de agua entra en contacto con dicha sustancia, se combina químicamente con ésta y se desprende como mezcla de agua y sustancia secante.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 49.

(50) Esta mezcla tiene que ser eliminada regularmente del absorbedor. Ello se puede realizar manual o automáticamente. Con el tiempo se consume la sustancia secante, y debe suplirse en intervalos regulares (2 a 4 veces al año). Al mismo tiempo, en el secador por absorción se separan vapores y partículas de aceite. No obstante, las cantidades de aceite, si son grandes, influyen en el funcionamiento del secador. Por esto conviene montar un filtro fino delante de éste. Figura 40: Secado por absorción. El procedimiento de absorción se distingue: - Instalación simple - Reducido desgaste mecánico, porque el secador no tiene piezas móviles - No necesita aportación de energía exterior.. Secado por adsorción Este principio se basa en un proceso físico. (Adsorber: Deposito de sustancias sobre la superficie de cuerpos sólidos.) El material de secado es granuloso con cantos vivos o en forma de perlas. Se compone de casi un 100% de dióxido de silicio. En general se le da el nombre de Gel . NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 50.

(51) La misión del gel consiste en adsorber el agua y el vapor de agua. El aire comprimido húmedo se hace pasar a través del lecho de gel, que fija la humedad. La capacidad adsorbente de un lecho de gel es naturalmente limitada. Si está saturado, se regenera de forma simple. A través del secador se sopla aire caliente, que absorbe la humedad del material de secado. El calor necesario para la regeneración puede aplicarse por medio de corriente eléctrica o también con aire comprimido caliente. Disponiendo en paralelo dos secadores, se puede emplear uno para el secado del aire, mientras el otro es regenera (soplándolo con aire caliente). Figura 41: Secado por adsorción. Secado por enfriamiento Los secadores de aire comprimido por enfriamiento se basan en el principio de una reducción de la temperatura del punto de rocío. Se entiende por temperatura del punto de rocío aquella a la que hay que enfriar un gas, al objeto de que se condense el vapor de agua contenido. El aire comprimido a secar entra en el secador pasando primero por el llamado intercambiador de calor de aire-aire. El aire caliente que entra en el secador se enfría mediante aire seco y frío proveniente del intercambiador de calor (vaporizador). El condensado de aceite y agua se evacua del intercambiador de calor, a través del separador. Este aire pre-enfriado pasa por el grupo frigorífico (vaporizador) y se enfría más hasta una temperatura de unos 274,7 K (1,7 °C) En este proceso se elimina por segunda vez el agua y aceite condensados. Seguidamente se puede hacer pasar el aire comprimido por un filtro fino, al objeto de eliminar nuevamente partículas de suciedad.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 51.

(52) Figura 42: Secado por enfriamiento. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 52.

(53) 4.2 Filtro de aire comprimido con regulador de presión El filtro tiene la misión de extraer del aire comprimido circulante todas las impurezas y el agua condensada. En los procesos de automatización neumática se tiende cada vez a miniaturizar los elementos (problemas de espacio), fabricarlos con materiales y procedimientos con los que se pretende el empleo cada vez menor de los lubricadores. Consecuencia de esto es que cada vez tenga mas importancia el conseguir un mayor grado de pureza en el aire comprimido, para lo cual se crea la necesidad de realizar un filtraje que garantice su utilización. El filtro tiene por misión:  . Detener las partículas sólidas Eliminar el agua condensada en el aire. Para entrar en el recipiente (1), el aire comprimido tiene que atravesar la chapa deflectora (2) provista de ranuras directrices. Como consecuencia se somete a un movimiento de rotación. Los componentes líquidos y las partículas grandes de suciedad se desprenden por el efecto de la fuerza centrífuga y se acumulan en la parte inferior del recipiente.. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 53.

(54) En el filtro sintetizado (4) [ancho medio de poros, 40 mm] sigue la depuración del aire comprimido. Dicho filtro (4) separa otras partículas de suciedad. Debe ser sustituido o limpiado de vez en cuando, según el grado de ensuciamiento del aire comprimido. El aire comprimido limpio pasa entonces por el regulador de presión y llega a la unidad de lubricación y de aquí a los consumidores. Los filtros se fabrican en diferentes modelos y deben tener drenajes accionados manualmente, semiautomática o automáticamente. Los depósitos deben construirse de material irrompible y transparente. Generalmente pueden limpiarse con cualquier detergente. Generalmente trabajan siguiendo el siguiente proceso: El aire entra en el depósito a través de un deflector direccional, que le obliga a fluir en forma de remolino. Consecuentemente, la fuerza centrífuga creada arroja las partículas líquidas contra la pared del vaso y éstas se deslizan hacia la parte inferior del mismo, depositándose en la zona de calma. La pantalla separadora evita que con las turbulencias del aire retornen las condensaciones. El aire continúa su trayecto hacia la línea pasando a través del elemento filtrante que retiene las impurezas sólidas. Al abrir el grifo son expulsadas al exterior las partículas líquidas y sólidas en suspensión. El agua no debe pasar del nivel marcado que normalmente traen los elementos, puesto que en la zona turbulenta el agua sería de nuevo arrastrada por el aire. La condensación acumulada en la parte inferior del recipiente (1) se deberá vaciar antes de que alcance la altura máxima admisible, a través del tornillo de purga (3). Si la cantidad que se condensa es grande, conviene montar una purga automática de agua. Reguladores de presión: Los reguladores de presión son aparatos de gran importancia en aplicaciones neumáticas. Normalmente son llamados mano reductores, que son en realidad reguladores de presión. Para su aplicación en neumática debemos entender su funcionamiento y comportamiento ante las variaciones bruscas de presión de salida o frente a demandas altas de caudal. Al ingresar el aire a la válvula, su paso es restringido por el disco en la parte superior. La estrangulación se regula por acción del resorte inferior. El pasaje de aire reducido determina que la presión en la salida o secundario tenga un valor inferior. La presión secundaria a su vez actúa sobre la membrana de manera tal que cuando excede la presión del resorte se flecta y el disco superior baja hasta cerrar totalmente el paso de aire desde el primario. Si el aumento de presión es suficientemente alto, la flexión de la membrana permitirá destapar la perforación central con lo cual el aire tendrá la posibilidad de escapar a la atmósfera aliviando la presión secundaria. Cuando la presión vuelve a su nivel normal la acción del resorte nuevamente abre la válvula y la deja en posición normal. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 54.

(55) Figura 43: Filtro de aire comprimido con regulador de presión. Funcionamiento de la purga automática de agua. El agua condensada es separada por el filtro. De vez en cuando hay que vaciar la purga, porque de lo contrario el agua será arrastrada por el aire comprimido hasta los elementos de mando. En la purga de agua mostrada abajo, el vaciado tiene lugar de forma automática. El condensado del filtro llega, a través del tubo de unión (1), a la cámara del flotador (3). A medida que aumenta el nivel del condensado, el flotador (2) sube y a una altura determinada abre, por medio de una palanca, una tobera (10). Por el taladro (9) pasa aire comprimido a la otra cámara y empuja la membrana (6) contra la válvula de purga (4). Esta abre el paso y el condensado puede salir por el taladro (7). El flotador (2) cierra de nuevo la tobera (10) a medida que disminuye el nivel de condensado. El aire restante escapa a la atmósfera por la tobera (5). La purga puede realizarse también de forma manual con el perno (8). NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 55.

(56) Figura 44: Purga automática de agua. 4.2.1 Filtro finísimo de aire comprimido Este filtro se emplea en aquellos ramos en que se necesita aire filtrado finísimamente (p. ej., en las industrias alimenticias, químicas y farmacéuticas, en la técnica de procedimientos y en sistemas que trabajan con módulos de baja presión). Elimina del aire comprimido, casi sin restos, las partículas de agua y aceite. El aire comprimido se filtra hasta un 99,999% (referido a 0,01 micrón).. NEUMÁTICA Y CIRCUITOS NEUMÁTICOS - Prof. ALEJANDRO FERNÁNDEZ. Página 56.