- Este artículo examina los puntos más importantes que han de tenerse en cuenta a la hora de diseñar y desarrollar una red de aire comprimido en una planta industrial y se analizan los principales factores que provocan las pérdidas de presión y en consecuencia, la disminución del rendimiento, seguridad y económia en estos tipos de redes.
- Introducción
El elemento fundamental de una instalación de aire comprimido es el compresor. Los criterios básicos para seleccionarlo son la capacidad requerida de aire comprimido, la presión de trabajo, la calidad del aire comprimido y el lugar en donde se ha de instalar.
Tal como puede verse, se trata de conceptos muy elementales que sin embargo, en algunas ocasiones no se les conceden la atención necesaria y provocan verdaderos problemas.
Actualmente, compresores rotativos lubricados suministran aire comprimido con no más de 3 ppm de contenido de aciete, que después se puede tratar fácilmente. También hay compresores que proporcionan aire comprimido 100% exento de aciete por lo que no es necesario filtrarlo posteriormente. Además se evita tener que depurar los condensadores.
- Selección de un compresor
Para seleccionar el compresor se necesita conocer la presión requerida en la utilización, teniendo en cuenta todas las caídas de presión de todos los equipos intermedios de aire comprimido, el caudal necesario y la calidad del aire.
- Elección de la presión
Una presión inútilmente elevada significará un mayor costo. El sobrecosto proviene de un aumento del trabajo de compresión, pero sobre todo de un aumento de los caudales consumidos a plena presión.
Por consiguiente, la presión debe ser elegida como la correspondiente a la mínima indispensable aumentada de la pérdida de carga correspondiente a cada puesto de consumo. Este valor será, por consiguiente, el valor indicado en el dispositivo de regulación.
- Eleción del Caudal
Se debe estimar un consulmo medio, en función de factores de uso y de simultaneidad. También se tendrá en cuenta, necesidades temporarias, pequeñas extensiones, bajas de rendimiento de la fuente y de las unidades neumáticas de los puestos de trabajo y una tasa de fugas razonable, es decir menor al 10%. El tema de las fugas será tratado más adelante, con detenimiento, dado la importancia que tiene pra los gastos.
- Elección de la calidad del aire
El secado global, no se justifica si sólo 15 al 20% del caudal necesita aire seco, del cual el punto de rocío debe ser evaluado con cuidado pues el equipo es mucho más caro a medida que el punto de rocio disminuye. El aire puede ser sin aceite y aire seco.
Generalmente, el aceite asegura lubricación y estanqueidad. Una parte es eliminada luego del enfriamiento final antes de la entrada a la red. La parte que resta en el aire, en una gran parte de los casos debe ser evitada.
- Tratamiento del aire
El tipo de tratamiento de aire comprimido dependerá de las necesidades del proceso en donde será utilizado. Suponemos que disponemos de la capacidad y presión necesaria, pero generalmente se encuentran inconvenientes por la presencia de aceite, de humedad y de partículas en suspensión.
Por lo que hace a la presencia de humedad, corresponde indicar que el aire que aspira el compresor proviene de la atmósfera, la cual tiene un cierto grado de humedad según el lugar donde se encuentra instalado el compresor.
En cuanto el aire es comprimido se calienta a temperaturas superiores a 100ºC, dependiendo del tipo de compresor utilizado. A estas temperaturas la humedad absorbida toma la forma de vapor saturado.
En cuanto el aire pasa por conductos a menor temperatura, el vapor se condensa y el agua deteriora todos aquellos elementos por donde pasa.
Por ello lo primero que es necesario hacer es enfriar mediante un sistema de enfriamiento colocado después del compresor y llevar el aire comprimido a una temperatura 10ºC a la temperatura ambiente.
Generalmente el compresor ya viene con el sistema de enfriamiento y el aire producido ya sale a esa temperatura.
- Eliminación del agua
Lógicamente, al enfriarse el aire una parte de la humedad de condensa y es eliminada mediante purgadores manuales o automáticos. A pesar de ello el aire queda con gran cantidad de agua y no queda otra solución que eliminarlo con un secador de aire comprimido.
Hay que poner atención en la elección de este equipo. A los criterios ya conocidos de la capacidad y presión de trabajo hay que agregarle el punto de rocio requerido. Recordamos que punto de rocío es la temperatura del aire a la cual comienza a condensarse en forma de gota de agua el vapor que estaba en saturación.
Adecuados a diferentes procesos industriales existen dos tipos de secadores: los secadores frigoríficos, con punto de rocío +3ºC, y los secadores de adsorción con punto de rocío a -60ºC. A la mayoría de las industrias, le es suficiente un secador frigorífico, mientras que los secadores de adsorción están indicados en procesos críticos o en aquellos casos en que se utiliza instrumentación de precisión. En estos casos la única norma que hay que tener en cuenta es que el aire no pase por conductos o elementos que tengan temperaturas inferiores a la del punto de rocío proporcionado por el secador.
- Eliminación del aceite
Si no se adopta el uso de compresores que producen el aire exento de acite, se hace necesario utilizar filtros de alta eficacia. La combinación de compresores rotativos lubricados con filtros de alta eficacia es suficiente para la mayoría de los procesos industriales. Un filtro específico para aceite suele tener una eficiencia de 0,01 ppm que se puede complementar con otro filtro para retener los vapores y olores del aceite, con lo que se llega a una eficiencia de 0,003 ppm, lo cual significa un aire comprimido virtualmente exento de aceite.
- Eliminación de partículas nocivas
El último problema que cabe resolver es la eliminación de las partículas nocivas de aire comprimido. En una instalación moderna este problema es muy leve. Pero en instalaciones antiguas, y sobretodo en aquellas en donde no se ha instalado un secador de aire, la presencia de partículas es muy frecuente, a causa, principalmente, de la continua corrosión de las cañerias.
Para eliminarlas hay que utilizar filtros de partículas. Generalmente, un filtro de una eficiencia de un micrómetro situado a la entrada del secador es sificiente para garantizar aire exento de partículas. Sin embargo, siempre es recomendable colocar un filtro final.
- Caída de presión
Uno de los aspectos más importantes por lo que hace al rendimiento, seguridad y economía de una red de distribución de aire comprimido es minimizar la ca161a de presión entre el compresor y los puntos de consumo de aire.
Una caída de presión en el sistema de aire comprimiso significa que en los puntos de consumo de presión es inferior a la de la sala compresora y comporta,consecuentemente una pérdida de potencia en las máquinas u otros sistemas neumáticos. La mayoría de las unidades de los sistemas neumáticos est0n diseñados para una presión de trabajo de 6 a 7 bares.
Si la caída de presión es tan alta que la presión de trabajo obtenida es menos que la presión prevista, la pérdida de potencia es proporcionalmente más grande.
La potencia desarrollada por un sistema neumático a 5 bar, por ejemplo es el 55% a 60% de la potencia desarrollada a 7 bar. La red de distribución del sistema de aire comprimido ha de estar dimensionada de forma que cualquiera sea el incremento futuro en el consumo de aire no signifique una caída de presión excesiva que obligue a reemplazar todo el sistema. Hay que tener en cuenta que el costo de instalar tubos y accesorios de dimensiones más grandes que los estrictamente necesarios en un principio es muy pequeño comparado con el costo que ocasionaría tener que cambiar todo el sistema.
Una fuerte caída de presión en la red de distribución se puede compensar elevando la presión de trabajo del compresor de 7 a 8,8 bares.
En el caso que el consumo de aire disminuyese la caída de presión mínima y la caída de presión en el punto de consumo aumenta. Hay que tener en cuenta esta posibilidad porque es posible que no todos los componentes han de estar diseñados para soportar esa presión.
- Parámetros que intervienen en la caída de presión
Los sistemas de aire comprimido permanentes deben dimensionarse de tal manera que la caída de presión entre la planta compresora y el punto de consumo más alejado no sea superior a 0.3 bar.
En el caso de instalaciones que cubren áreas muy grandes como minas, canteras, etc, se puede aceptar caídas de presión algo superiores pero no más de 0,5 bar.
Los circuitos de transporte y distribución tienen resistencias variables a la circulación de aire comprimido, lo que ocasiona una caída de presión a medida que se aleja de la fuente.
La caída de presión teórica en Pascal(un Pascal un diezmilésimo de bar, o lo que es lo mismo un hecto-Pascal igual a un milibar) se calcula con una formula empírica que tiene en cuenta:
La velocidad en m/s elevada al cuadrado. La longitud de la cañería en metros. Un coeficiente Lambda que tiene en cuenta la rugosidad de las cañerías. Un coeficiente K que tiene en cuenta la resistencia de los puntos singulares del recorrido, como ser cambios de dirección, variaciones de secciones, etc.
En general, estas formulas pueden aparecer en los libros especializados o catálogos de fabricantes en forma de ábacos o gráficos para distintas condiciones de red y coeficientes que han sido establecidos por diferentes autores en función de redes similares.
- Cálculo y diseño
Para calcular el valor teórico de la perdida de carga, se necesita conocer el caudal de aire que circulará por el sistema.
El caudal depende de las unidades o elementos neumáticos los cuales necesitan un volumen de aire para funcionar; por lo tanto hay que conocer la disposición de las máquinas que se utilizarán en los diversos lugares de trabajo.
En lo que respecta al trazado, ello será función de la disposición de los puntos de consumo a la planta y de la forma de la distribución adoptada (suministro centralizado, redes en anillo, etc.)
Generalmente es suficiente con disponer planos que reflejen las dimensiones y los detalles de construcción de los lugares por donde esta previsto colocar los servicios generales y la disposición de los lugares de trabajo a fin de establecer la distribución de los consumos de planta.
El dimensionamiento será consecuencia de las dos consideraciones anteriores, es decir el caudal y el trazado. Respecto al trazado valen las siguientes consideraciones:
Se deben evitar las curvas y contornos inútiles. Diseñar canalizaciones a sección constante para velocidades entre 5 y 10 m/s, de acuerdo a la extensión de la red.
Evitar las reducciones de sección, aún si los caudales circulantes disminuyen en algún tramo, a fin de reducir las perdidas de carga cuando se aleja de la fuente.
Hay que prestar atención a los acoplamientos y accesorios pues en donde se producen las mayores caídas de presión. Por ejemplo, en un consumo de aire de 80 litros por segundo a 6 bar, la caída de presión disminuye de 0,2 a 0,1 bar si el diámetro interno del acoplamiento se aumenta de 15 a 17 milímetros.
Prever pendientes, como mínimo 2% y purgas, preferentemente automáticas. Una red debe estar diseñada de tal forma que cada puesto de trabajo tenga doble alimentación.
Esta mayor inversión se compensa pues, además de proveer mayor seguridad en el suministro, disminuyen las perdidas de carga al tener doble alimentación en paralelo.
Preferir las uniones soldadas a las conexiones mediante bridas. Hay que tomar en cuenta las variaciones del consumo que pueden tener las distintas unidades si trabajan a plena carga o en vació.
No obstante eso, el caudal resultante como consecuencia del funcionamiento de todas las unidades neumáticas deben tener cuenta un coeficiente de simultaneidad, o lo que se denomina factor de carga.
Una vez conocidos los resultados de los cálculos de caudal y la distribución más conveniente, para dimensionar las cañerías se dispone de monogramas de caída de tensión y el software.
- Factores de uso y de simultaneidad
Para un trabajo continuo de una unidad neumática se necesita que el compresor proporcione tanto aire como el que las unidades consumen más o menos intermitentemente.
Para estimar esto hay uqe tener en cuenta que lo normal es que se tenga tiempos muertos, por ejemplo, el operario ha de parar para posicionar la pieza, cambiar la broca, situar un perno en posición, etc., y en esos tiempos muertos un compresosr de menor capacidad tendría tiempo para cargar a presión el depósito o la red de aire comprimido.
El tiempo en que la máquina esta consumiendo aire, se denomina factor de uso, que es propio de cada tipo de máquina y está determinado por la forma en que esta trabaja. De manera general, estos coeficientes están relativamente bien determinados teóricamente, según cronometrajes en diversos trabajos realizados en fabricas de diferentes tipos. Otro factor que hay que tener en cuenta para calcular el consumo es le factor de simultaneidad, el cual depende del número de unidades que en cada momento consumen aire. Si todas las máquinas funcionaran simultáneamente la cantidad de aire a suministar sería igual a la suma de los consumos de todas. Ello es prácticamente imposible que suceda, pues siempre hay un desfasaje entre los periodops en que trabaja cada una. Como resultado de datos determinados en distintas industrias es posible conocer el valor de este factor de simultaneidad.
- Fugas
Las causas principales de la falta o pérdida de presión en una red de aire comprimido, son la capacidad insuficiente de los compresores, canalizaciones mal calculadas y las fugas en la instalación. Si en una instalación de aire comprimido se ha calculado correctamente el caudal, el trazado y las dimensiones de los circuitos neumáticos y sin embargo hay falta de presión, seguramente una parte de aire se está perdiendo a través de fugas en la instalación.
En las plantas industriales de aire comprimido construidas y mantenidas correctamente las fugas de aire pueden estar entre al 5 y 10 %.
Si los costos de energía son elevados quizá convenga aumentar los gastos en el mantenimiento y bajar las perdidas por fugas al 3 % y menos.
El costo de recondicionamiento de instalaciones antiguas para reducir pérdidas es muy pequeño en comparación con el posible daño económico. Normalmente, los usuarios de aire comprimido no se dan cuenta de la cantidad de aire que se escapa por las pequeñas fugas. La tabla I muestra el caudal de aire que se pierde según el diámetro del orificio que ocasina la fuga y la potencia necesaria para comprimir esa cantidad de aire. Además hay que tener en cuenta que una fuga consume aire constantemente. En cambio una unidad neumática en promedio funciona 40 al 50 % del tiempo. Por lo tanto una fuga consume del orden del doble de la potencia que consumiría una unidad con el mismo volumen instantáneo. La experiencia ha demostrado que para evitar grandes fugas de aire en instalaciones neumáticas hay que disponer de una vigilancia especial y un mantenimiento planificado. La magnitud de las fugas se obtiene midiendo la cantidad de aire sumistrada por los compresores manteniendo la presión normal sin que exista consumo de aire. Las medidas de fugas son particularmente útiles si las pérdidas se pueden determinar por cada sección del sistema de cañerias.
Tabla I. Pérdidas de energía a causa de las fugas. | |||||||||||||||||||||||
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- Condensados
El aire comprimido siempre tiene cierta cantidad de agua, según el estado higrométrico del aire admitido por el compresor a elevada temperatura, el agua es transportada en forma de vapor.
Buena parte de esta agua se separa de los refrigeradores intermedio y posterior de la máquina, pero hay otra parte que se introduce en la red y se condensa en bajar temperatura por la expansión que se produce en la utilización del aire.
La cantidad de agua condensada a la red no es tan pequeña como parece a primera vista y produce una serie de inconvenientes que puede dar lugar a descenso de la producción, averías en máquinas, corrosión de los sistemas de distribución, etc. El agua con aceite forma emulsiones gomosas que destruyen el lubricante y provocan pérdidas de potencia, desgaste, obstrucciones y averías a las unidades neumáticas.
Forma óxidos principalmente en la parte interna de las cañerias soldadas y después estos óxidos se desprenden y arrastrados por el aire hacia los puntos de consumo.
Una gota de agua o una impureza puede paralizar un sistema de instrumentación neumática o dañar un buen acabado en una instalación de pimtura.
- Conclusiones
Hemos examinado los puntos más importantes que han de tenerse en cuenta a la hora de diseñar y desarrollar una red de aire comprimido en una planta industrial y se analizaron los principales factores que provocan las pérdidas de presión y en consecuencia, la disminución del rendimiento, seguridad y economía en estos tipos de redes.
