Ley de Charles

que es conocida como Ley de Charles


Por último, otro aspecto que debe ser considerado en los sistemas de aire comprimido es la presencia de agua en el aire. En efecto, el aire exterior de la atmósfera puede ser considerado como una mezcla entre aire seco y vapor de agua. La cantidad o el porcentaje de vapor de agua presente en el aire se denomina humedad relativa. Los extremos estarán en el aire seco (contenido cero de agua) y en el aire saturado (cantidad máxima de agua que puede contener ese aire).

La capacidad del aire para contener agua depende de la temperatura, aumentando cuando esta aumenta, es decir, que un aire caliente puede contener más vapor de agua que un aire frío, pero a medida que este aire se enfríe su capacidad para retener la humedad se hace menor por lo que empezará a condensar gotitas de agua conforme la temperatura del aire baje.

Precisamente, el punto de rocío (PR) es esa temperatura a la que se satura el aire, es decir, la temperatura a la que el vapor de agua presente alcanza su presión de saturación. Si sigue bajando la temperatura por debajo de la temperatura de rocío entonces comienza a condensar agua, dado que el aire no tiene capacidad de contener esa humedad.

En la siguiente tabla se muestra los diferentes valores de la temperatura de rocío, según la humedad relativa y temperatura ambiental del aire a presión atmosférica:

Temperatura de rocío del aire a presión atmosférica

Tabla 2. Temperatura de rocío a presión atmosférica

La Tabla 2 es muy sencilla de entender. Por ejemplo, supongamos un aire exterior con una temperatura ambiente de 25 ºC y una humedad relativa del 65%. Según la Tabla 2 le correspondería un punto de rocío de 18 ºC, es decir, que para que se produzcan condensaciones de agua en ese aire su temperatura debería bajar hasta los 18 ºC.

La anterior definición del punto de rocío está referida a la presión atmosférica, pero igualmente existe una punto de rocío a presión, cuando la presión a la que se encuentra el aire es superior a la atmosférica. Como se puede apreciar en la siguiente tabla, conforme aumenta la presión, la temperatura del punto de rocío también se hace mayor.

Punto de rocío para distintos valores de presión del aire

Tabla 3. Puntos de rocío para distintos valores de presión

CALIDAD DEL AIRE. 

Los sistemas y procesos de producción modernos necesitan aire comprimido de alta calidad. Esta calidad se define en la norma internacional ISO 8573-1:2001 que califica la calidad del aire de acuerdo a los valores de suciedad (por el tamaño de las partículas sólidas suspendidas y su concentración), de agua (según el punto de rocío a presión alcanzado y el contenido de vapor de agua presente en el aire) y de aceite (por la concentración total de aceite presente en el aire en forma de aerosoles, líquidos o vapores). Una vez definido la calidad de aire que se requiere según la aplicación, entonces se hace necesario someter al flujo de aire a un proceso de tratamiento mediante etapas de filtrado, separación de agua y secado que consiga unos niveles de suciedad, contenido en agua y aceite que queden por debajo de los límites establecidos. A continuación se muestra la tabla que define la calidad del aire clasificándolo en diferentes clases según la normativa vigente: Calidad del aire comprimido, según ISO 8573-1 

CLASE PARTÍCULAS SÓLIDAS

 Número máximo de partículas por m3

 HUMEDAD Punto de rocío a presión (ºC)

 ACEITE Concentración total mg/m3 (aerosoles, líquidos o vapores) 0,1-0,5 µm 0,5-1,0 µm 1,0-5,0 µm 1 100 1 0 -70 0,01 2 10000 1000 10 -40 0,1 3 - 10000 500 -20 1 4 - - 1000 3 5 5 - - 20000 7 - 6 - - - 10 - Tabla 1. Calidad del aire comprimido según ISO 8573-1 De esta forma para designar la clase de pureza del aire comprimido se debe seguir el siguiente formato: ISO 8573-1 X.Y.Z, donde: X es la cifra que indica la clase de partículas sólidas, según la Tabla 1 anterior, Y es la cifra que indica la clase de humedad, según la Tabla 1 anterior, Z es la cifra que indica la clase de aceite, según la Tabla 1 anterior. Ejemplo: Aire comprimido Calidad ISO 8573-1 1.2.1, significaría un tipo de aire con la siguiente calidad: - calidad de clase 1 en partículas sólidas (nº partículas por m3 de aire

DIMENSIONADO DEL COMORESOR Y EL DEPOSITO PARA SELECCION DEL COMPRESOR MAS IDONEO 

 a la instalación que se proyecte es necesario de disponer de dos datos básicos como punto de partida a la hora de iniciar su selección:

• Consumo o caudal de aire

• Presión máxima de trabajo Con estos primeros datos, que ya se explicó cómo calcularlos en apartados anteriores, se suele emplear ábacos o tablas que recomiendan la tipología de compresor más idónea según el rango de trabajo donde se encuentre la instalación a proyectar. Usos de los tipos de compresores de aire No obstante, el resultado anterior debe suponer el punto de partida, dado que no sólo el consumo o el rango de presiones que debe dar el compresor va a condicionar su elección, sino que hay otros factores que dependiendo del lugar donde se instale (zona residencial, zona industrial...) o el tipo de aplicación (automoción, instalación fija...) decantará la elección en uno u otro tipo que por su construcción mejor se adapte al entorno. Así, a la hora de seleccionar el tipo de compresor habrá que tener en cuenta los siguientes condicionantes y comprobar que están incluidos en la hoja de especificaciones técnicas del compresor que se seleccione.

° Factores medioambientales, tales como si es aplicable alguna limitación de emisión sonora.

 • Altitud, dado que algunos tipos de compresores los cambios de altura o de temperatura del aire de aspiración afectan significativamente a su rendimiento.

 • Determinar el rango de funcionamiento, frecuencia de arranques/paradas o modalidad de trabajo en continuo. Por último, para el cálculo del depósito de acumulación de aire las  recomendaciones finales Para un diseño racional de un sistema de aire comprimido se recomienda agrupar en una sala los equipos principales, esto es, compresor o compresores, depósito de acumulación y los equipos de tratamiento del aire (enfriadores, secadores...) de donde partirán las líneas principales y de distribución hasta los puntos de consumo, tratando siempre minimizar las longitudes

. La mejor forma de implantar la línea de distribución es formando un anillo cerrado alrededor de la zona de consumo de aire, del que deberán colgar los ramales hasta los puntos de consumo final. Con ello se consigue una alimentación uniforme dado que cada punto recibe el aire desde dos direcciones, aunque los consumos sean intermitentes en cada punto. Por último se recomienda seguir las siguientes pautas: - Colocar derivaciones tipo "T" para los puntos de drenaje, dado que los cambios bruscos de dirección favorece el proceso de separación de las gotitas del agua de la corriente de aire. - La instalación de las tuberías deberá realizarse con pendiente (aprox. 1%) en la dirección del flujo, para así favorecer la recogida de los condensados. - Las conexiones y ramificaciones desde una tubería principal o de distribución deberán realizarse desde la parte de arriba de la tubería con el fin de impedir en lo posible la entrada de agua. - Siempre que quede algún punto de la instalación en una cota de menor altura que sus alrededores, significará que será una zona de concentración de condensados, por lo que habrá que colocar puntos de drenaje. Igualmente, en toda línea principal de la instalación deberá colocarse puntos de drenaje cada 30 metros aprox., que deben situarse por debajo de la tubería. - Minimizar la colocación de cambios de dirección, codos, bifurcaciones, válvulas, dado que todos estos elementos suponen pérdida de presión en el flujo.

UNIDADES DE MEDIDA

 El punto de partida de una instalación de aire comprimido es el aire exterior de la atmósfera, que se encuentra a unas condiciones específicas de presión, temperatura y humedad propias de cada lugar. Como acuerdo internacional, se toma la presión atmosférica normalizada, 1 atmósfera, que está definida como la presión atmosférica media al nivel del mar, y que toma los siguientes valores según el sistema de unidades:

 • 1 atmósfera = 1,01325 bar; 

 • 1 atmósfera = 760 Torr (760 mm de Hg); 

 • 1 atmósfera = 101 325 Pa (N/m2);

 • 1 atmósfera = 1,033227 Kg/cm2;

 • 1 atmósfera = 14,69595 PSI (pound/inch2); 

 • 1 atmósfera = 10,33 metros de columna de agua (m.c.a.) Para definir la presión en un sistema de aire comprimido se utiliza la presión efectiva, denominada también presión manométrica, y que suele expresarse en bar(e). Esta presión hay que distinguirla de la presión absoluta (a). 

Para pasar de una a otra sólo hay que restarle a la presión absoluta la presión ambiente (aprox. 1 bar). Así por ejemplo si un punto de consumo trabaja a una presión absoluta de 7 bar(a), su presión efectiva será de 7-1= 6 bar(e). Por tanto, la presión manométrica se aplica en todos aquellos casos donde la presión de trabajo es superior a la atmosférica, porque cuando esta presión es inferior a la atmosférica entonces se habla de presión de vacío. Por otro lado, en ocasiones el consumo de aire de un punto de utilización viene definido en Nm3/min o Ndm3/min (también Nl/min), donde Nm3 y Ndm3 (o Nl) significa normal metro cúbico y normal decímetro cúbico (normal litro) respectivamente. Cuando se antepone el prefijo Normal a la unidad de medida se refiere a que está medido en unas condiciones de presión, temperatura y humedad relativa del aire, que son las siguientes: 

 • Presión: 1,013 bar(a)

 • Temperatura: 0 ºC

 • Humedad Relativa: 65% Pero el caudal volumétrico del aire libre suministrado para un equipo compresor (FAD) suele venir definido en su hoja de especificaciones según unas condiciones estándar en la entrada del equipo que no suelen coincidir con las condiciones normales (ejemplo, 1 bar de presión absoluta y temperatura de 20 ºC). Para pasar de un caudal expresado en condiciones normales (ej. Nm3/s) a las condiciones estándar de trabajo (l/s) se emplea la siguiente expresión: Cálculo del caudal de aire en las condiciones de trabajo estándar donde, QFAD es el caudal de aire suministrado en las condiciones de trabajo estándar (l/s) QN es el caudal en condiciones normales (Nl/s) TFAD es la temperatura de entrada estándar al compresor (20 ºC) TN es la temperatura normal de referencia (0 ºC) PFAD es la presión de entrada estándar al compresor (1 bar (a)) 1,013 es la presión de referencia normal (1,013 bar (a))

dispositivas

diapositivasDESCARGAR

MANTENIMIENTO SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO

Al igual que cualquier equipo industrial, los sistemas de aire comprimido requieren procedimientos de mantenimiento periódicos, que permitan operar estos sistemas a su máxima eficiencia, minimizando a su vez los periodos fuera de servicio. Bajas eficiencias de compresión, fugas de aire y variaciones de presión en el sistema, son debidas a mantenimientos inadecuados del sistema de aire comprimido. Esto también puede conllevar a elevadas temperaturas de operación, control inadecuado de humedad y excesiva contaminación de equipos y herramientas. El programa de mantenimiento del sistema de aire comprimido, conlleva a la implementación de rutinas de ajuste de correas de transmisión, limpieza, reemplazo de elementos, filtros y fluidos de lubricación, al igual que la eliminación de condiciones adversas. Adicionalmente, es indispensable la identificación y reparación de fugas, y la inspección del sistema de refrigeración y condensado. Todo este tipo de operaciones pueden ser programadas en etapas, que comprendan la implementación de cada una de ellas, acorde a los requerimientos y condiciones sugeridas por los fabricantes y el tipo de compresores empleados RECUPERACIÓN DE ENERGÍA EN SISTEMAS DE AIRE COMPRIMIDOS La compresión de aire conlleva al incremento de temperatura tanto del fluido de trabajo como del sistema de compresión. Esta situación exige la eliminación de calor que permita la operación eficiente y bajo los límites de diseño de los equipos. Aproximadamente el 94% de la energía utilizada por el compresor se convierte en calor, que puede ser recuperado mediante la implementación de un sistemas de refrigeración bien sea alimentado por agua o por aire. Los compresores refrigerados por agua permiten recuperar hasta el 90% de la energía de entrada. Esta recuperación se da en forma de agua calienta a temperatura de 70 a 80 °C, para se empleada en la alimentación de calderas y dispositivos de calefacción. Adicionalmente, es posible recuperar calor del sistema de lubricación del compresor, al instalar un intercambiador de calor que permita poner en contacto el aceite caliente con agua fría, mejorando el desempeño de este sistema. El aire utilizado en la refrigeración de compresores, alcanza temperaturas en el rango de 50 a 60 °C. Este aire caliente puede ser empleado para sistemas de calefacción y acondicionamiento ambiental. Es posible lograr eficiencias de recuperación del orden de 80 a 90 %.

Sistema de Aire Comprimido

aplicaciones industriales del sac

aplicaciones de aire comprimido

USO INADECUADO DE AIRE COMPRIMIDO

Los principales usos inadecuados del aire comprimido son: soplado, inyección de aire, aspirado, atomización, obtención de vacío, refrigeración personal, soplado con pistolas de mano, cabinas de refrigeración, tubos Venturi para vacío, entre otras. Este tipo de aplicaciones pueden ser desarrolladas a partir de métodos y herramientas potencialmente más económicas que el aire comprimido. Dentro del rango de posibilidades se destacan los ventiladores y sopladores de baja presión, las bombas de vacío, pistolas de soplado adecuadas y sistemas de refrigeración aire-aire, aire-agua. Adicionalmente, la aplicación de equipos deteriorados, con niveles bajos de eficiencia y sin dispositivos de control y regulación de presión y caudales adecuados, conllevan a incrementos notables en costos de operación y mantenimiento y a la reducción de los ciclos de vida útil. FUGAS DE AIRE En instalaciones sometidas a rutinas de mantenimiento adecuadas, las fugas de aire varían entre 5% y 10%, y hasta un 30% o incluso 50% en instalaciones descuidadas. Por ello es imprescindible establecer un sistema para detectar fugas, de modo que éstas puedan ser reparadas inmediatamente, y tener en cuenta aspectos como un programa periódico de prueba de fugas en el que se compruebe el estado de empalmes, conectores y mangueras flexibles, además del desgaste de las juntas de los cilindros neumáticos. Igualmente, es necesario identificar y eliminar tuberías redundantes ya que pueden ser fuente potencial de fugas. Cuando los costos de energía son elevados puede ser rentable reducir las pérdidas aún a expensas de un aumento en los costos de mantenimiento. El costo de actualización del sistema es inferior a la ganancia económica. Generalmente las fugas son debidas a mantenimientos inapropiados o defectuosos y no a diseños inadecuados de los sistemas. La valoración de la pérdida de potencia, permite comprobar que la inversión en mejora de sellado de las fugas puede ser recuperada con el ahorro en energía. Como se observa en la figura a, los costos debido a fugas son tan elevados que justifican el costo del reacondicionamiento en instalaciones antiguas con el fin de reducir las fugas. El procedimiento para la medición del porcentaje de fugas en la red de distribución de aire comprimido, requiere el paro total de la planta o de una zona en particular y comprende: detención de todos los consumos de aire en la planta o zona; llenado del tanque pulmón y líneas de distribución hasta obtener la presión de operación del sistema; apagado de los compresores; y medición del tiempo de descarga del tanque pulmón hasta una presión no inferior al 20% de la presión inicial o de operación del sistema. Este procedimiento debe repetirse por lo menos tres veces, para asegurar la calidad del resultado. Los puntos de fugas más frecuentes son entre otras, las válvulas de seguridad de los depósitos acumuladores, las juntas de tuberías y mangueras, las válvulas de corte que hacen mal cierre, los acoples rápidos, las herramientas neumáticas y los equipos

apicaciones en la industria

Sarlin Balance - Sistema de Control de Aire Comprimido - Principio de Funcionamiento

FUENTE

La fuente principal de estos sistemas es el aire, que es tomado a presión atmosférica y luego de pasar por la unidad de compresión, alcanza la presión de trabajo requerida, para luego ser distribuido por los diferentes puntos de trabajo que componen al sistema de aire comprimido. COMPONENTES BÁSICOS Los componentes básicos del sistema de aire comprimido se relacionan con el compresor, que actúa como elemento receptor – transformador, otorgando las condiciones necesarias al aire comprimido (presión y caudal) mediante la transformación en energía potencial de la energía cinética de que es suministrado; con el sistema de distribución (tuberías, líneas o conductos de distribución), que están a cargo del transporte del aire comprimido al tanque de almacenamiento y a los puntos de aplicación; y con los actuadores y herramientas neumáticas, que determinan el consumo del sistema.  RENDIMIENTO Y EFICIENCIA Para el análisis del sistema de aire comprimido, se realizan mediciones de las variables más relevantes de los compresores a condiciones normales de operación. Para determinar el consumo de potencia eléctrica y capacidad volumétrica teniendo se debe tener presente el estado del aire a la entrada (presión atmosférica, temperatura y humedad relativa) y a la descarga del sistema de compresión (presión, temperatura y flujo volumétrico entregado). El conocimiento de estos valores, permite establecer el estado real del sistema de aire comprimido y conocer el rendimiento y eficiencia bajo los que opera el sistema.

FUNCIONAMIENTO, SEGURIDAD, VENTAJAS Y DESVENTAJAS, APLICACIONES EN AIRE COMPRIMIDO

FUNCIONAMIENTO

     El sistema de aire comprimido trata de aprovechar la capacidad de aire de compresión que tiene el aire atmosférico; para usarlo como energía o para acumularlo en un recipiente para su uso posterior. El aire comprimido se consigue usando unos equipos denominados compresores, que aspiran aire atmosférico que lo comprimen hasta llegar un valor de presión atmosférica a la que se encontraba.

     El aire comprimido sin tratar proveniente del compresor entra en el post-enfriador (Refrigerador de aire), luego entra al deposito o tanque húmedo para  separar más condensado el aire comprimido, y de esa manera proveer un flujo estable de aire, asimismo ayudando a evitar ciclos de carga-descarga excesivos del compresor.

     El aire húmedo proveniente del tanque de almacenamiento pasa al secador, el cual lleva el aire al nivel optimo requerido para la aplicación dl mismo. Posterior a este proceso este aire pasa los filtros (Eliminadores de vapor de agua, aceite, partículas), a la salida de este son direccionado al almacén seco el cual sirve para el almacenamiento principal de aire comprimido del sistema y debe seleccionarse apropiadamente.

     Aunado a ello, encontramos instrumentos como son: reguladores y lubricadores a la salida del almacén en seco, con la finalidad e llevar la presión a la requerida e introducir en el aire una cantidad adecuad de lubricante (normalmente aceite) que permita satisfacer los requerimientos de equipos de trabajo de forma eficiente sin una excesiva resistencia al desgaste; y preparando al aire para la distribución del mismo.

SEGURIDAD

• Nunca aplique aire comprimido a la piel o directo a una persona aire comprimido a una presión que puedan causar serias lesiones. Nunca use el aire comprimido para limpiar polvo o suciedad de su cuerpo ó ropa.
• Cuando utilice aire comprimido para limpieza, asegúrese de no exceder las presiones, siempre utilice lentes de protección ó máscara facial.
• Utilice protección auditiva. La exposición a un ruido excesivo puede dañar seriamente su sistema auditivo.
• Nunca acople o desacople una manguera con presión de aire. Corte la presión y despresurice los sistemas antes de proceder a cualquier conexión de mangueras.
• Nunca use mangueras deterioradas ó dañadas. Siempre guarde las mangueras correctamente lejos de fuentes de calor ó luz solar directa.
• Una falla en la manguera puede causar un grave accidente. Use carreteles para disminuir sus chances de accidentes y ayuda a que las mangueras tengan mayor vida útil. No deje las mangueras en el piso.
• Cuando inyecte aire comprimido a una red ó una manguera, asegúrese que si hay un extremo abierto, éste permanecerá sujeto en forma firme y segura. Un extremo suelto puede dar un latigazo y producir un grave accidente.
• No utilice el aire directo del compresor ó aplicaciones alimenticias, farmacéuticos, biológicos, etc. A menos que el sistema haya sido diseñado a tal fin y posea los correspondientes filtros y reguladores.
• Válvulas de corte y despresurización con bloque deben ser utilizadas en la alimentación de las máquinas de forma que bloqueen con cuidado la alimentación de la máquinas mientras de realizan tareas de mantenimiento y no puedan habilitarse accidentalmente.
• Nunca altere ó instale válvulas de alivio con presión de descarga superior a la cual ha sido diseñado el sistema y el depósito.
• Preste atención a las regulaciones locales referidas a recipientes sometidos a presión y haga revisar su sistema periódicamente.
• Detecte y elimine las fugas de su instalación sistemáticamente. Logrará un funcionamiento óptimo y generará importantes ahorros operativos a su empresa.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

En aplicaciones neumáticas en la industria se trabaja con aire comprimido. Esto representa ciertas ventajas y desventajas, sobre todo, si se compara con la hidráulica y la electricidad.

VENTAJAS

• Económico: se puede conseguir como fluido de trabajo simplemente tomándolo de la atmósfera, lo que no implica costos.
• Seguro: hay pocos riesgos de accidentes, porque no posee propiedades explosivas
• Abundante: se encuentra en grandes cantidades en la Tierra
• No contamina: el aire después de utilizado se devuelva al ambiente sin representar contaminación del medio.
• Rápida respuesta; los actuadores pueden trabajar a altas velocidades.
• No requiere líneas de retomo: a diferencia de otros medios como la hidráulica, éste no requiere volver al generador, sino que se devuelve al ambiente sin inconvenientes.
• Fácil montaje y mantenimiento
• Fácil transporte
• La instalación es sencilla, rápida y limpia

DESVENTAJAS

• Humedad: el aire, al salir del compresor, puede tener una alta temperatura, lo que hace que al recorrer la línea de distribución se presente enfriamiento y se produzca condensación, traduciéndose en presencia de agua en las tuberías. Este es uno de los más graves inconvenientes que presenta el trabajo con aire comprimido, pues el contenido de humedad puede afectar los dispositivos de trabajo (actuadores, válvulas,etc.).
• Ruido: la operación de los elementos de trabajo ocasiona gran cantidad de ruido lo que obliga al uso de silenciadores en los escapes de las válvulas, incrementando costos. Esto no elimina todo el ruido, pero lo disminuye. También el compresor produce mucho ruido, razón por la cual se debe instalar en un lugar apartado del área de producción de la empresa.
• Limitación de fuerza: cuando se trabaja con aire comprimido no se logran fuerzas muy grandes, lo que obliga a utilizar otras alternativas como la hidráulica cuando se requiere aplicación de grandes fuerzas. La fuerza máxima es de 30000N, aproximadamente..
• Difícil detección de fugas: las fugas normalmente se detectan por el sonido que producen, pero en una industria hay gran presencia de ruido, lo que dificulta el poder determinar que hay presencia de fugas. Esto genera caídas de presión y disminución en el caudal, obligando al compresor a trabajar más tiempo incrementando los costos en el consumo de energía.
• Costosa producción: el compresor consume mucha energía, por eso se hace muy costosa la generación de aire comprimido

APLICACIONES TÍPICAS

     La gran versatilidad del aire comprimido permite que éste sea utilizado en diferentes funciones industriales. Es posible encontrar aplicaciones de aire comprimido en industrias químicas, agrícolas, cementeras, siderúrgicas, mineras, refinerías, textiles, entre otras. 

En el área agrícola se utiliza el aire comprimido para el transporte neumático de granos y equipos de fumigación.

• Para la producción de cemento se utiliza en las etapas de agitación y mezclado, en el transporte de cemento, la limpieza y embalaje de sacos y aire de combustión.
• En la industria química el aire comprimido es fundamental para aireación y agitación en reactores, filtrado de sustancias y sistemas criogénicos.
• La generación de energía mediante termoeléctricas, requiere de etapas de limpieza y control, que pueden lograrse mediante la implementación de sistemas de aire comprimido. Igualmente el aire comprimido puede ser utilizado durante la obtención de vidrio y sus derivados, durante los procesos de soplado de botellas, transporte y alimentación de vidrio y operación de moldes y prensas. 
• En la siderurgia y la metalurgia, el aire comprimido se usa como fuente de aire para hornos y convertidores, la operación de prensas y estampadores y la carga y movimiento de materiales.
• Las explotaciones mineras emplean el aire comprimido en taladros, equipos de filtrado fino y para la extracción de agua.
• Vaciado y limpieza de tuberías y equipos, recirculación de catalizadores, extracción de piezas moldeadas, son entre otras tareas que pueden desempeñarse en refinerías y producción de plásticos mediante el uso del aire comprimido.
• Para la producción de telas y textiles, se usa el aire comprimido para la agitación de líquidos y la humectación de los productos durante las diferentes etapas del proceso de producción.

Referencias Bibliográficas

Bloch, H. P. (1998). Guía práctica para la Tecnología de los Compresores (Traducido por F. Jones). México: McGraw-Hill. (Original publicado en 1998.) Majumdar, S. R. (1998). Sistemas Neumáticos: Principios y Mantenimiento (Traducido por J. H. Pérez). México: McGraw - Hill. (Original publicado en 1998.) U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy (2003). Improving Compressed Air System Performance. Washington: DOE. ANDI, Empresas Públicas de Medellín, Universidad Pontificia Bolivariana (1998). Guías para el uso de racional de energía por procesos en la industria. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana. Colciencias, Empresas Públicas de Medellín, Universidad Pontificia Bolivariana (2001). Gestión energética: Herramientas para el control de variables por proceso. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana.

Almacenamiento

Para optimizar el desempeño en un sistema de aire comprimido se  sugiere instalar dos tanques. Un “tanque húmedo” proporciona una fuente constante de aire controlado, enfriamiento del aire adicional y separación de líquidos. Un “tanque seco” almacena el aire limpio y seco para las demandas repentinas.

·         El tanque “húmedo” debe instalarse después del compresor para separar más condensado del aire comprimido, proveer un flujo estable de aire, asimismo ayuda a evitar ciclos de carga-descarga excesivos del compresor. Adicionalmente este tanque provee cierta protección, contra todos los residuos de aceite arrastrados por un mal funcionamiento del compresor, y los elementos de tratamiento de aire com­primido instalados posteriormente.

·         El tanque seco debe ser instalado después de todos los componentes de tratamiento de aire comprimido. Este tanque sirve para el almacenamiento principal de aire comprimido del sistema y debe seleccionarse apropiadamente. Si se usa un controlador maestro, los sensores de presión deben ser instalados en el tanque seco.

Para la instalación de tanques de almacenamiento, húmedos o secos se sugiere:

-       Conectar la entrada de aire comprimido en la parte inferior y la salida en la parte superior.

-       Cumplir con las regulaciones locales.

-       Instalar un manómetro en perfectas condiciones.

-       Instalar una válvula de seguridad calibrada para la presión del sistema y el flujo total.

-        Instalar un dren de condensados confiable en el punto más bajo.

-       Instalar válvulas de aislamiento en los puertos de entrada y de salida de aire comprimido.

-       Instalarse en un el área ventilada. No colocar los tanques frente al área de expulsión de aire caliente de compresores o secadores, hacerlo puede volver a calentar el aire comprimi­do, reducir la separación de humedad, y posiblemente reducir la eficiencia de filtros y secadores.

TRATAMIENTO

El aire que sale de un compresor está sucio, caliente, húmedo y generalmente se encuentra a una presión mayor de la requerida por el equipo que se encuentra aguas abajo. Antes de que este aire pueda ser utilizado, necesitará ser tratado para eliminar los contaminantes, la presión deberá reducirse hasta el nivel adecuado, y en muchos casos se le deberá añadir aceite para lubricar el equipo aguas abajo. A menudo se piensa equivocadamente que el aire comprimido es una fuente económica, o incluso sin ningún coste de energía. De hecho, puede llegar a ser 10 veces más caro que la electricidad si se tienen en cuenta todos los costes de generación, transmisión, tratamiento e instalación. Una buena preparación del aire debe considerar por tanto el consumo de energía del sistema y el equipo necesario para el tratamiento del aire.

El condensado se forma como resultado de comprimir y después enfriar el aire. Mientras más elevada sea la temperatura ambiente y la humedad relativa, mayor será el volumen de condensado producido. La mayoría de este condensado es agua, pero se encuentra contaminado con aceite y partículas sólidas que vienen de los componentes del sistema de aire comprimido, y partículas sólidas que contiene el aire que es aspirado por el compresor. Este condensado se acumula en tanques, filtros, secadores y tuberías. Si no es removido, será arrastrado por el aire comprimido hacia los puntos de uso a través de las tuberías, y contaminará tanto los equipos neumáticos como los productos. Esto puede incrementar significativamente los costos de mantenimiento y las cantidades de producto rechazado. Además, el condensado saturará los elementos filtrantes, dejándolos inservibles. Estos costos superan con mucho el costo de la instalación de un sistema confiable para el manejo de condensados. Un sistema de manejo de condensados está compuesto de tres elementos: drenes para condensados (conectadas a tanques, filtros y secadores), un separador de agua/aceite y las tuberías que interconectan estos componentes.

INSTRUMENTO Y CONTROL

Instrumento

-Filtros de vapor de agua

En los sistemas de aire comprimido, el vapor de agua existe como contaminante, originándose en la salida del compresor en forma de vapor, aunque, a medida que el aire se enfría, existirá tanto en forma líquida como de vapor. La cantidad de vapor de agua que puede existir en un determinado volumen de aire comprimido es directamente proporcional a la temperatura del aire e inversamente proporcional a la presión. Así, la cantidad de agua será mayor en cuanto menor sea la temperatura y mayor sea la presión, siendo pues en estas condiciones cuando la eliminación de agua en el aire será más eficaz.

Un filtro  del tamaño adecuado para una línea de aire comprimido, con un buen diseño y situado en el lugar correcto eliminará el agua líquida de forma eficaz, pero no reducirá el contenido de vapor de agua en el aire. Un mayor enfriamiento del aire puede dar como resultado una mayor condensación del agua. Si es esencial una eliminación completa de la contaminación del agua, entonces el contenido de vapor de agua en el aire debe reducirse de forma que el Punto de Rocío del aire sea menor que cualquier temperatura a la que el aire del sistema pueda quedar expuesto. Una vez que toda el agua líquida ha sido eliminada del aire comprimido, en condiciones normales el aire se encontrará completamente saturado con vapor de agua.

Las condiciones particulares de temperatura y presión a las que el aire comprimido se encuentra en ese momento se conocen como Presión del Punto de Rocío. Los Puntos de Rocío se miden normalmente a la presión atmosférica y pueden relacionarse entre sí a través de los gráficos adecuados. Para eliminar el vapor de agua de un sistema de aire comprimido deben emplearse Secadores de Aire. La eficiencia de estos dispositivos se incrementa en gran medida asegurándose de que no se encuentren contaminados por agua líquida o aceite (o combinaciones - emulsiones) y la entrada de aire debe ser a la menor temperatura posible.

De esta forma son elementos a añadir al sistema y no alternativas a los filtros y a los refrigeradores posteriores. Existen tres clases principales de Secadores de Aire; Refrigerador, Secadores Regenerativos Adsorbentes Desecantes y Delicuescentes Absorbentes

Con el fin de mantener los costes del secado de aire al mínimo, considérese lo siguiente:

a)    ¿Requiere el proceso en particular secado de aire, o basta con refrigerador es posteriores, receptores y filtros de alta eficacia?

b)    No especificar Puntos de Rocío extremadamente bajos si el proceso no los justifica.

c)    Limitar el volumen de aire a secar al que sea realmente necesario para el proceso en particular, con un     margen adecuado para ampliaciones futuras. Esto puede significar que sólo una zona de la planta de proceso necesite emplear un secador.

d)     Los mayores requerimientos para secadores de aire en industrias de aplicación general se encuentran allí donde existan elevadas temperaturas ambiente.

-Filtros de partículas solidas

Al igual que en el agua, en cualquier sistema de aire comprimido existen partículas sólidas, independientemente del tipo de compresor. Estas partículas pueden generarse desde cuatro fuentes principales:

a)    Suciedad atmosférica aspirada en el puerto de entrada del compresor.

b)     Productos corrosivos originados por la acción del agua y de ácidos débiles, formados por la interacción de agua y gases tales como el dióxido de azufre, aspirados por el compresor.

c)     Productos de carbono formados por la acción del calor de compresión en el aceite lubricante o por el desgaste normal de los anillos de carbono del pistón utilizados en algunos tipos de compresores libres de aceite.

d)     Partículas originadas a partir de la fijación mecánica entre la canalización y las componentes, introducidas en el sistema de distribución de aire. El tamaño de las partículas de suciedad puede cubrir un rango muy amplio, desde varios cientos de micras hasta por debajo de una micra y el nivel de filtración depende del grado de limpieza necesario para cada proceso en particular. Generalmente, no es recomendable habilitar una filtración más fina de la estrictamente necesaria, dado que cuanto más fina sea la filtración, mayor será la cantidad de suciedad atrapada por el elemento de filtraje, con lo cuales se bloqueará más rápidamente. Las partículas pueden clasificarse según dos grandes grupos; las gruesas(40 micras o más) y las finas. La mayoría delos filtros de aire normales podrán eliminar satisfactoriamente partículas de hasta 40 micras.

-Aerosoles de aceite

Estas gotas minúsculas de aceite se encuentran en la corriente de aire, y las que causan mayores problemas tienen un tamaño de entre 0,01 a 1 micra (aprox. el 90%), el resto pueden ser ligeramente mayores.

La mayoría de los filtros standard de las líneas de aire consiguen la eliminación del agua mediante una acción centrífuga, pero en el caso de los aerosoles no es así, debido al pequeño tamaño de las partículas, y requieren la utilización de filtros especiales de tipo coalescente. Además de eliminar estas pequeñas gotas de aceite, estos filtros suprimirán también gotas diminutas de agua, pero deben ser protegidos contra la contaminación de suciedades o gotas de agua de mayor tamaño por medio de filtros standard instalados inmediatamente aguas arriba.

Normalmente es recomendable que estos filtros puedan eliminar partículas de hasta 5 micras o incluso menores, de lo contrario el filtro coalescente quedará rápidamente saturado con suciedad, con lo que se hará necesaria una sustitución del elemento filtrante. Los filtros coalescentes se clasifican normalmente por la cantidad de aire que pueden procesar para conseguir un rendimiento de eliminación de aceite determinado, normalmente un contenido residual de aceite en el aire de salida de 0,01 mg/m3 (o 0,01 ppm). Si se intenta trabajar con valores superiores a estos sólo se conseguirá obtener una mayor caída de presión en la unidad y por lo tanto unos costes excesivos de energía, pero más importante aún, el contenido de aceite residual se incrementará. Esto podría ser aceptable en algunas aplicaciones en las que la eliminación del aceite hasta niveles del orden de 0,5 mg/m3 es adecuado para proporcionar un grado de protección a un sistema particularmente propenso a un alto nivel de contaminación por aceite.

-Filtro de vapor de aceite

En la mayoría de los procesos la eliminación de vapor de aceite no es necesaria dado que, a diferencia del vapor de agua, el vapor de aceite existe únicamente en cantidades mínimas y no es objetable excepto en circunstancias en las que su olor sea inaceptable, por ejemplo en el caso de procesado alimentario, en industrias farmacéuticas y de bebidas, y en aplicaciones de aire para respiración. El método más común de eliminación consiste en hacer pasar el aire a través de un lecho absorbente, normalmente de carbón activo, aunque también pueden utilizarse otros materiales. Los mencionados filtros de eliminación de vapor reducirán normalmente el contenido restante del total de aceite, cuando se utilicen conjuntamente con un pre-filtro (filtro de aplicación general) y con un filtro coalescente, a 0,003mg/m3.Una idea equivocada muy común en relación a estos filtros es que también eliminarán el monóxido de carbono o el dióxido de carbono. En realidad esto no es cierto.

Al igual que con los filtros de eliminación de aceite (coalescentes), los filtros de eliminación de vapor deberán utilizarse únicamente en el caso de que su función sea necesaria, no superando el rango de caudal máximo y precedidos siempre por un filtro de aplicación general y por un filtro coalescente. Esto minimizará el tamaño de los filtros requeridos y por tanto el coste de la instalación.

La ubicación de la toma de entrada del compresor puede también tener su efecto sobre el nivel de filtración requerido, si, por ejemplo, la toma se encuentra situada cerca de una fuente de vapores de hidrocarburos, etc. Una entrada de aire limpio reducirá el coste de la producción de aire comprimido

Control

Con el fin de utilizar el aire comprimido de la forma más eficaz, es necesario reducir la presión hasta precisamente el valor requerido para esa aplicación particular. Todos los equipos neumáticos poseen una presión de trabajo óptima. Su utilización a una presión mayor causa un desgaste excesivo, sin un incremento significativo en cuanto a rendimiento, al tiempo que se desperdicia el aire comprimido en sí mismo y el coste necesario para su generación. Si el aire comprimido se almacena a su valor de presión mayor y se utiliza exactamente al valor mínimo requerido para la aplicación, el depósito de almacenamiento o el receptor sólo necesitan llenarse desde un nivel aproximadamente intermedio hasta su capacidad completa, lo cual es más eficiente.

 Con el fin de alcanzar esta utilización óptima, el compresor trabaja normalmente entre dos niveles de presión, esto es, el receptor posee normalmente un presostato ajustado para cerrar el compresor al alcanzar el nivel de presión requerido (usualmente el máximo alcanzable para conseguir la eficacia en la filtración), así como un nivel menor normalmente alrededor del 10 - 20% por debajo. Esta cifra puede optimizarse cuando se consideren el tamaño del receptor, la demanda de caudal del sistema y el nivel de salida del compresor. Como resultado a esta disposición, el compresor no está en marcha de forma continua: utiliza un exceso de energía que produce más calor, el cual a su vez genera agua. Esta debe ser eliminada (coste extra) para suministrar una presión para los requerimientos del sistema que resulta excesiva y origina un gran desgaste (coste extra) sin ningún incremento en el rendimiento. Por lo tanto, una válvula reductora de presión puede generar ahorros de coste superiores a su precio en un tiempo muy breve. También es obligatoria en aplicaciones tales como pistolas de aire comprimido y boquillas refrigerantes en las que la utilización de aire comprimido a elevadas presiones es potencialmente peligrosa.

-Válvulas reductoras

La válvula reductora de presión, a veces también llamada reguladora de presión (ver válvulas reguladoras de presión) es una válvula de control hidráulico cuya consigna es reducir una elevada presión aguas arriba de la válvula a un valor menor constante aguas abajo de la misma, independientemente de las variaciones de presión aguas arriba y de las variaciones del flujo o de la demanda en la línea.

-Válvulas reguladores

Las válvulas reguladoras permiten variar la productividad de las bombas al manipular la presión desde el mínimo hasta el máximo nivel. Al mismo tiempo, las válvulas reguladoras actúan como mecanismo de seguridad, ya que no permiten que se exceda el nivel de presión que elige la persona que las está operando, con lo que se reduce el riesgo de accidentes.

Tipos de reguladores:

Éstos pueden dividirse de forma muy general en 4 tipos:

De aplicación general

Pilotados

De Precisión

Para aplicaciones especiales.

La mayoría de los reguladores de aplicación general son del tipo de diafragma. Estos reguladores suelen ser más sensibles que los reguladores de tipo pistón, que tienen tendencia a poseer una mejor capacidad de caudal para un tamaño dado. En la mayoría de los sistemas de aire comprimido, el requerimiento principal es su respuesta, más que su compacticidad para un determinado tamaño de tubería, con lo que aquí los reguladores de tipo diafragma son los más comunes.

Los reguladores pueden ser con escape o sin escape. La característica de escape permite que la presión del sistema (a la salida) se pueda ajustar de un mayor nivel a otro menor sin necesidad de actuar sobre el equipo aguas abajo (esto se lleva a cabo disponiendo de un orificio de purga a través del diafragma hacia la atmósfera).

Los reguladores pilotados son aquellos que no poseen medios mecánicos directos para el ajuste de la presión de salida. Esto elimina problemas de nivelación para conseguir altas presiones (16 bar y superiores) en unidades de tubería de gran tamaño. La presión de salida se controla mediante una señal de aire a presión que es producida normalmente por un regulador de precisión. Ello permite, por ejemplo, situar un regulador pilotado en una ubicación remota de un gran sistema de distribución, normalmente sobre el techo de un edificio, pero su ajuste puede ser realizado hasta obtener la presión de salida deseada desde el nivel del suelo. Para la mayoría de aplicaciones pilotadas es mejor llevar a cabo la lectura de la presión del sistema o salida desde el mismo regulador pilotado (normalmente llamado esclavo) o del sistema de distribución, dado que la presión de salida del regulador piloto no es normalmente la misma. Los reguladores pilotados también proporcionan un mejor rendimiento si se elimina el resorte de control y normalmente poseen una mayor área de diafragma en comparación al área de válvula, lo que mejora también la precisión del control de presión en respuesta a pequeños cambios de presión.

Los reguladores de precisión (o controladores) se utilizan normalmente para aplicaciones de instrumentación en las que son necesarias una repetitividad exacta y una posibilidad de fijar la presión de salida durante un tiempo determinado. Estos reguladores poseen normalmente un rango de caudal de salida bajo, pero presentan características superiores de caudal y regulación. Su capacidad para alcanzar el nivel ideal en cuanto a características de caudal y presión se refleja en su tamaño y su precio. Generalmente, la mayoría de los reguladores de precisión utilizan una disposición especial para conseguir un escape constante de aire de salida a la atmósfera. A pesar de que esto representa un coste para el sistema en su conjunto, puesto que se trata de una pérdida de aire: es el precio que debe pagarse con el fin de alcanzar la respuesta tan rápida que requieren las aplicaciones, necesaria para mantener la presión del sistema constante. Los mejores reguladores de precisión utilizan también un funcionamiento integral por piloto, trabajando efectivamente con dos diafragmas y dos válvulas, una pequeña y sensible, y la otra un esclavo para asegurar que el rendimiento general satisface los requerimientos de la aplicación particular.

Los reguladores para aplicaciones especiales pueden cubrir una amplia gama de demandas específicas, incluyendo el cumplimiento de requerimientos ambientales precisos relativos a materiales especiales, con grandes caudales de descarga, accionamiento de pistones en lugar de ruedas manuales, etc. Pueden tratarse de derivados de cualquiera delos otros tipos de reguladores con adiciones según su aplicación específica. Estos pueden ser variaciones de los reguladores normales aplicadas en función del mecanismo específico.

-Manómetro

Un manómetro es un instrumento de medida de la presión en fluidos (líquidos y gases) en circuitos cerrados. Miden la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica, llamándose a este valor, presión manométrica. A este tipo de manómetros se les conoce también como "Manómetros de Presión".

 Lo que realmente hacen es comparar la presión atmosférica (la de fuera, la atmósfera) con la de dentro del circuito por donde circula al fluido. Por eso se dice que los manómetros miden la presión relativa.

 La presión manométrica es la presión relativa a la presión atmosférica. La presión manométrica es positivo para presiones por encima de la presión atmosférica, y negativa para presiones por debajo de ella. La presión absoluta es la suma de presión manométrica y presión atmosférica.

Unidad Compresora

Unidad Compresora

Neumática, Composición Química del Aire Comprimido, Unidades de Presión y Manómetro

Equipos de Aire Comprimido

EQUIPOS

• Secador

Son equipos utilizados para separar un líquido de un sólido mediante la evaporación. Principalmente es utilizado para reducir o eliminar humedad. En estos equipos la fuente de calor es una corriente de gas caliente. El material para el secado puede estar estático, móvil, fluido o diluido. El secado significa la remoción de cantidades de agua relativamente pequeñas de cierto material. La evaporación se refiere a la eliminación de cantidades de agua bastante grandes; además, ahí el agua se elimina en forma de vapor a su punto de ebullición. En el secado, el agua casi siempre se elimina en forma de vapor con aire.

• Compresor

Es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tales como gases y vapores.

• Refrigerador

Es un dispositivo cuyo objetivo es extraer calor de un cuerpo a una cierta temperatura y cederlo a otro que se encuentra a una temperatura superior. Para ello utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire u otras sustancias) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que pueda funcionar de forma continua, como sucede con las máquinas térmicas.