sesión 02 - generacion, preparación y distribución de aire comprimido (2015

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SISTEMAS NEUMÁTICOS

Miguel A. León Mozo

[email protected]


Generación, preparación y distribución del aire comprimido. (II Parte)Veremos…

• Componentes de una instalación de aire comprimido, compresores, post-enfriadores, depósitos, secadores, separadores y filtros.

• Formas de distribución. Parámetros de selección. Dimensionado de la red.


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OBJETIVO ESPECÍFICO

Identificar los componentes de una instalación neumática y

diferenciarlos de acuerdo a su aplicación.

Seleccionar la distribución mas conveniente y dimensionar la

red de acuerdo a la demanda y uso de los equipos.


COMPONENTES DE UN SISTEMA NEUMÁTICO


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PREPARACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO

Balance EnergéticoMiguel A. León Mozo

INSTALACIÓN TIPICA DE UN SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO


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SISTEMA DE ABASTECIMIENTO DE AIRE

Integrated compressor and after cooler

Pressure gauge

Condensate drain

Drain valve

Air receiver

Distribution pipe

SWP

10barIsolating valve

Safety valve

M

Symbol for contents of the Integrated compressor

El aire comprimido es aire atmosférico que ha sufrido un proceso de compresión, que setransforma en trabajo mecánico o sirve para controlar procesos de regulación, mando omedición.Los sistemas neumáticos de mando consumen aire comprimido que debe estar disponible en el caudal suficiente y con la presión determinada según el rendimiento del trabajo a realizar.Conecta su sistema a la red de aire. Los sistemas neumáticos de mando trabajannormalmente con aire comprimido de 6 bar.


ELEMENTOS DEL SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO



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SISTEMA DE ABASTECIMIENTO DE AIREELEMENTOS DEL AIRE COMPRIMIDO




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PRODUCCIÓN DE AIRE COMPRIMIDOEl grupo principal de una instalación productora de aire comprimido es “COMPRESOR”.

Los compresores son máquinas destinadas a elevar la presión de un cierto volumen deaire, admitido en condiciones atmosféricas hasta una determinada presión. La energíausada al comprimir aire sólo se transforma parcialmente en energía de presión.Una gran parte se pierde por calentamiento generado por el rozamiento, lo cualperjudica el rendimiento de la instalación.


TIPOS DE COMPRESORES

a) DESPLAZAMIENTO POSITIVO: Se basa fundamentalmente en la reducción de

volumen. El aire es admitido en una cámara aislada del medio exterior, donde suvolumen es gradualmente disminuido, produciéndose una compresión.

Cuando una cierta presión es alcanzada, provoca una apertura de las válvulas dedescarga, o simplemente el aire es empujado hacia el tubo de descarga duranteuna continua disminución del volumen en la cámara de compresión.

b) DESPLAZAMIENTO DINÁMICO: La elevación de presión es obtenida por medio

de conversión de energía cinética en energía de presión, durante su paso através del compresor.

El aire admitido es colocado en contacto con los impulsores (rotor laminado)dotados de alta velocidad. Este aire es acelerado, alcanzando velocidadeselevadas y consecuentemente los impulsores transmiten energía cinética al aire.Posteriormente, su salida es retardada por medio de difusores, obligando a unaelevación de presión.


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TIPOS DE COMPRESORES


Se logra aspirando un volumen de gas en un espacio determinado, que luego será reducido por medios mecánicos hacia su descarga.

COMPRESORES RECIPROCANTES (Compresores alternativos o de embolo oscilante)

COMPRESORES ROTATIVOS

COMPRESORES ALTERNATIVOS / DESPLAZAMIENTO


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COMPRESORES ALTERNATIVOS DE PISTÓN



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COMPRESORES ALTERNATIVOS DE DIAFRAGMA


COMPRESORES DE TORNILLO


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Etapa de un compresor de tornillo exento de aceite, con la carcasa del rotor refrigerada por agua, retenes de aire y

retenes de aceite en ambos extremos, y un juego de engranajes de sincronismo para mantener las ajustadas holguras

del rotor.



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COMPRESORES ROTATIVOS DE PALETAS MULTIPLES


COMPRESORES ROTATIVOS ROOTS (LÓBULOS)


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El incremento de presión se logra por el aumento de la energía cinética.

Son de flujo continuo.

COMPRESORES RADIALES (Turbocompresor Radial o Centrífugo)

COMPRESORES AXIALES

COMPRESORES DINÁMICOS


COMPRESORES DINÁMICOS

El aire es acelerado a partir del centro de rotación, en dirección a la periferia,o sea, es admitido axialmente por la primera hélice (rotor dotado de láminasdispuestas radialmente), para ser acelerado y expulsado radialmente.


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COMPRESORES DINÁMICOS RADIALES


COMPRESORES DINÁMICOS AXIALES


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ENFRIAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO

Está localizado entre la salida del compresor y el depósito, por el hecho que el airecomprimido alcanza su mayor temperatura en la salida. Este enfriador es simplementeun intercambiador de calor utilizado para enfriar el aire comprimido.Se permite retirar cerca de 75% a 90% de vapor de agua contenido en el aire, así comolos vapores de aceite; además de evitar que la línea de distribución sufra unadilatación causada por la alta temperatura de descarga del aire.


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ENFRIAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDOPrincipio de un post-enfriador:

Refrigerado por aire Refrigerado por agua


SECADO DEL AIRE COMPRIMIDO

Son equipos encargados de separar el vapor de agua presente en el airecomprimido.Existen tres tipos de secadores:• Por absorción• Por adsorción y• Por enfriamiento.

Cada tipo tiene sus propias ventajas y desventajas tanto técnicas como económicas.


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SECADO DEL AIRE COMPRIMIDO - ADSORCIÓN


SECADO DEL AIRE COMPRIMIDO - ABSORCIÓN


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SECADO DEL AIRE COMPRIMIDO - REFRIGERACIÓNEl aire comprimido(AC) entra, inicialmente, en unpre-enfriador(A), sufriendo una caída detemperatura causado por el aire que sale delenfriador principal (B).Durante esta fase, la humedad presente en AC formapequeñas gotas de agua corriente llamadascondensadas y que son eliminadas por el separador(C), y luego evacuadas a través de un dreno (D) parala atmósfera.La temperatura de AC (0.65 – 3.2°C) es mantenida enel enfriador principal, por medio de un termostatoque actúa sobre el compresor de refrigeración (E).

El calor adquirido sirve para recuperar su energía y

evitar el enfriamiento por expansión, queocasionaría la formación de hielo, en caso que fueselanzado a una baja temperatura en la red dedistribución, debido a la alta velocidad.




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ALMACENAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO

Funciones:

• Almacenar el aire comprimido.• Enfriar el aire debido a su gransuperficie, ayudando a la eliminación decondensado.• Compensar las fluctuaciones de presiónen todo el sistema de distribución.• Estabilizar el flujo de aire.• Controlar las marchas de loscompresores.• Etc.


Deben operar con una presión bajo laPresión Máxima de Trabajo permitida.Los tanques deben ser instaladosconvenientemente de modo que todoslos drenajes, conexiones y aberturas deinspección sean fácilmente accesibles.Debe ser instalado, de preferencia, a lasombra para facilitar la condensación dela humedad y del aceite contenidos en elaire comprimido.

Drenaje

Aire

Condensado

Comprimido

ALMACENAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO


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DISTRIBUCIÓN DE AIRE COMPRIMIDO


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Se pueden considerar tres tipos de tuberías:

• Tubería principal o colector general.

• Tuberías secundarias.

• Tuberías de servicio.

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VÁLVULAS DE CIERRE EN LA LÍNEA DE DISTRIBUCIÓNEllas son de mucha importancia en la red de distribución, porque permiten ladivisión de esta en secciones, especialmente en casos de grandes redes,haciendo que las secciones puedan ser aisladas para inspección,modificaciones y mantenimiento.

Las válvulas más utilizadasson las de 2“ tipo esfera ydiafragma. Por encima de 2"son utilizadas las válvulas tipocompuerta.



CURVATURALas curvas deben ser hechas con el mayor radio posible, a fin de evitar las

pérdidas excesivas por las turbulencias. Evitar siempre que se pueda lacolocación de codos de 90°. Las curvatura debe poseer un radio interior mínimode dos veces el diámetro externo del tubo.


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COMPONENTES DE UN SISTEMA NEUMÁTICO


UNIDAD DE MANTENIMIENTO


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UNIDAD DE MANTENIMIENTO – De que consta?


UNIDAD DE MANTENIMIENTO – Porque es útil?


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UNIDAD DE MANTENIMIENTO – Como funciona?




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Instalación de aire comprimido, la presión(Pcom) entregada por el compresor es de 12bar, por las tuberías principales circula un caudal(Q) de 800CFM a (Ptubería) 11,5 bar.Determinar el diámetro adecuado de la tubería principal.

EJERCICIO - CALCULAR


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Solución :

barP

P

barP

s

m

pie

m

s

pie

s

pieQ

CFMQ

barP

mL

tuberia

com

tuberia

5.0

5.1112

5.11

38.0)13048.0

(33.13)60min1

)(min

800(

800

12

80

33

33

=∆−=∆

=

===

==

=

Calculamos la diferencia de presión por cada 100m.

barX

mX

mbarSi

625.0

100..............

805.0

=→

→⇒

Entonces la tubería tiene una caída de presión de 0.625bar/100m

Con la presión del compresor y la caída de presión vamos a la tabla.


mbarPs

mQ

barPcom

100/625.0

38.0

123

=∆

=

=


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Determinación del acumulador cuando elcompresor funciona intermitentemente

EJERCICIO - CALCULAR


DISEÑO DE INSTALACIONES DE COMPRESORES


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EJEMPLO DE DISEÑO DE INSTALACIONES DE AIRE COMPRIMIDO


NECESIDADES DE AIRE COMPRIMIDO

CONSUMIDOR CAUDAL DE AIRE PRESIÓN PUNTO DE ROCÍO

1 12 Nm3/min 6 bar Efectiva +6°C

2 67 l/s (FAD) 7 bar Absoluta +6°C

3 95 l/s (FAD) 4 bar Efectiva +6°C

CNPT (Condiciones Normales de Temperatura y Presión)FAD (Flujo de Aire Desplazado/Movimiento)

Nm3 = Normal metro cúbico, 0°C y 1 atmSm3 = Standard metro cúbico, 20°C y 1 atm



CONDICIONES AMBIENTALES PARA LA SELECCIÓN

Temperatura ambiente normal: 20°C

Temperatura ambiente máxima: 30°C

Presión ambiental: 1 bar(absoluta)

Humedad: 60%

La presión máxima requerida por todos los consumidores es de 6 bar.

Se instalará una válvula reductora en el consumidor 3 que necesita 4 bar.

Suponiendo que la caída de presión combinada en el secador, filtro y tuberías

no exceda de 1.5 bar, resulta adecuado un compresor con una capacidad depresión de trabajo máxima no inferior a 6 + 1.5 = 7.5 bar (efectiva).

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CONVERSION DEL CAUDAL [l/s]

�� = ��

�� = �� é��

�� = �� #°�

�� = �� !�� 0°�

#�� = $� �ó� � �� # &�� (�� )

#� = $� �ó� ��!�� 1.013 &�� (�� )

,-./ = ,01�-./

�01

$0

$-./



CONVERSION DEL CAUDAL [l/s]

12 034

356

7888 9

7 34

7 356

:8 ;= 200

09

;

,-./ = ,01�-./

�01

$0

$-./

,-./ = 200 ��

1

273°� + 30°�

273°�1

1.013 &��

1 &��

,-./ = 224.864 �

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CONVERSION DE LA PRESIÓN [BAR - efectiva]

$.A;B9CDE = $.D3B;FéG5HE + $IFJHD5KE

$IFJHD5KE = $.A;B9CDE − $.D3B;FéG5HE

$IFJHD5KE = 7 &�� − 1 &��

$IFJHD5KE = 6 &��

CONSUMIDOR CAUDAL DE AIRE PRESIÓN PUNTO DE ROCÍO






DIMENSIONAMIENTO DEL COMPRESOR

El consumo total seria 225 9

;+ 67

9

;+ 95

9

;= 387

9

;

Con un margen de seguridad (futuro) de 10-20%

,�-./ = 387�

11.15

,�-./ ≅ 450�

$IFJHD5KE = 6 &�� + 1.5 &��

$IFJHD5KE = 7.5 &��

Suponiendo que la caída de presión combinada en el secador, filtro y tuberíasno exceda de 1.5 bar

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SELECCIÓN FINAL DEL COMPRESOR

Compresor de TORNILLO con inyección de aceitePresión de salida máxima del compresor = 7.5 Bar (Efectiva)

,�-./ = 450�

Este requisito lo cumple un compresor con una potencia instalada en el eje

del motor = 162 kW.

La temperatura del aire comprimido a la salida del refrigerador posterior del

compresor = temperatura ambiente +10°C.

El compresor tiene una regulación todo/nada con ciclos cada 30 seg. Con la

regulación todo/nada, el compresor seleccionado tiene una fluctuación de

presión entre 7.0 y 7.5 Bar (Efectiva)



SELECCIÓN DEL DEPOSITO DE AIRE

,O = �� = 450 � �$7 = $� �ó� � �� = 1 �� 7 = �� P�� á1�� = 30°� = 273 + 30 = 303 °R

S��1 = S�� á1�� = 1 ��30 �

$T − $U = V�!�� ó� �� W� X � � ��W� $T − $U = 0.5 &��

�8 =La temperatura del aire comprimido a la salida del compresor seleccionado es 10°Cmayor que la temperatura ambiente; por lo que la temperatura máxima en el depósito deaire será = 273 + 40 =313 °K

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SELECCIÓN DEL DEPOSITO DE AIRE

Y =0.25 1 ,O 1 �8

!ZE[ 1 $T − $\ 1 �7

Y =0.25 1450 1 313

130 1 0.5 1 303

= ]^_`. __ abcdef

Es el volumen mínimo recomendado del deposito de aire.Normalmente se selecciona el siguiente tamaño estándar superior.



CASO ESPECIAL : GRAN ALTITUD

12 034

356

7888 9

7 34

7 356

:8 ;= 200

09

;

,-./ = ,01�-./

�01

$0

$-./

,-./ = 200 ��

1

273°� + 35°�

273°�1

1.013 &��

0.74 &��

,-./ = 308.884 �

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