Preparación del Aire Comprimido.pdf

8/11/2019 Preparación del Aire Comprimido.pdf

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F STO

Preparación del aire comprimidoD. Arce



Preparación del aire comprimido PAC - 2

ÍNDICE

1. Índice 22. Prólogo 33. Introducción 4

3.1. Calidad de aire comprimido 44. Partículas sólidas 65. Suministro de aire 7

6. Unidades compresoras de aire 86.1. Compresor de desplazamientopositivo

8

6.1.1. Compresor de émbolo 86.2. Compresor dinámico 9

7. Depósitos de aire 108. Secadores de aire 12

8.1. Enfriamiento y refrigeración 128.2. Adsorción 13

9. Redes de distribución de aire

comprimido

14

9.1. Instalaciones interiores 1410. Unidades de Regulación -Filtración - Lubricación

17

10.1. Filtros de aire 1710.2. Método de filtración 1910.3. Regulador de presión 2410.4. Lubricadores 27

11. Conclusión 44






3. Introducción

3.1. Calidad de aire comprimido

La contaminación se adquiere en el mismo momento en que se genera elaire comprimido, por esta razón analizaremos brevemente su generación,aunque no es intensión de este documento ser extensivo en este punto.

El aire atmosférico es un gas incoloro, inodoro e insípido. Está constituidopor una mezcla de gases, principalmente nitrógeno y oxígeno, entre otros. Algunos de los principales contaminantes se encuentran de forma naturalsuspendidos en el aire, tales como: vapor de agua y partículas sólidas (polvo,arena, hollín y cristales de diferentes sales). En las grandes ciudades, elnúmero de estas partículas por metro cúbico, puede alcanzar la cifra de500,000 partes/m3.

Siendo el aire una mezcla, sus componentes pueden separarse. Si el airees enfriado, sus diferentes componentes se separan por destilación fraccional.

Qué contaminantes se encuentran en el aire comprimido y causan trastornos anuestra maquinaria???

* 140 millones de partículas sucias existen en cada m 3 * 17 gramos de agua por m3 * agentes abrasivos (aceites usados en la compresión del aire)

* óxido que se produce y desprende de la red de aire comprimido




Fig.1 Todas estas partículas contaminantes son aspiradas por el compresor y alimentadas ala línea de aire comprimido.

La calidad del aire comprimido en el punto de consumo, viene definida portres parámetros.

• pureza , referida a la humedad y a la suciedad por partículas sólidascontenidas en el aire

• presión , referida al valor adecuado y constante• lubricación , de acuerdo al área de aplicación

La pureza del aire comprimido está influenciada por:

• la calidad del aire de aspiración• filtro de aspiración• tipo de compresor utilizado• mantenimiento del compresor• separador de partículas sólidas contenidas• refrigerador posterior• sistemas de distribución de aire (tubería, disposición, etc.).

El aire aspirado por el compresor, contiene una cantidad de agua enforma de vapor que depende de la temperatura y de la humedad relativa delambiente.




Los filtros de aspiración eliminan de un 96 a un 99 % del polvo ysuciedad que contiene el aire, pero sólo eliminan un 25 % del número total departículas suspendidas. Pero cuando estos filtros de aspiración se encuentranen condiciones precarias de mantenimiento, los porcentajes disminuyen.

Los filtros de aspiración de los compresores convencionales, no detienenpartículas pequeñas, aerosoles, vapores ni gases. Por otra parte, el proceso decompresión incrementa la concentración de contaminantes.

4. Partículas sólidas

Prácticamente todos los compresores, algunos más que otros, añadenpartículas de desgaste y aceite de su propio cuerpo al flujo de aire, esto por supropio funcionamiento y diseño.

Las partículas sólidas en los sistemas de aire comprimido, varían ennaturaleza desde partículas de polvo y de humos, hasta partículas deherrumbre, de polvo de metal, etc. Tales contaminantes con el paso del tiempopueden bloquear debido a su tamaño, orificios de herramientas e instrumentos.

Fig.2 La partícula máspequeñavisible es de45 micrones




El aire comprimido tiene una amplia gama del aplicaciones industriales,cuyos requerimientos de calidad de aire varia de unas a otras. Por ejemplo, lossistemas de instrumentación y control, necesitan aire relativamente a bajapresión, excento de agua, aceite y partículas extrañas. Los elementos detrabajo en cambio, requieren aire a más alta presión, limpio, con escasahumedad y que contenga un lubricante. Si una máquina neumática, tiene queproporcionar un rendimiento óptimo, con una vida de trabajo máxima, esevidente que el aire comprimido ha de preparase adecuadamente. Losparámetros que se cuidan en la generación del aire son:

• presión

• grado de secado• pureza• contenido de lubricante

5. Suministro de aire comprimido

Suministrar aire comprimido no es solamente conectar un compresor auna máquina, por el contrario, es todo un proceso de generación, preparación,distribución y alimentación del aire para que este llegue en las condicionesóptimas de acuerdo a la aplicación. Este proceso esta compuesto de lassiguientes etapas:

• Unidades compresoras de aire• Depósito de aire• Secador frigorífico• Filtro desolador• Secador por adsorción• Filtro colector de polvo• Red de distribución• Unidades de regulación – filtrado – lubricación

6. Unidades compresoras de aire






6.2. Compresores dinámicos (dinámica de fluidos).

Estos compresores usan aspas que giran a alta velocidad produciendo laaceleración del aire. Esta aceleración de aire se dirige hacia un difusorprovocando la presión.

La energía total, en un flujo de aire en movimiento, siempre es constante.Cuando dicho flujo, atraviesa un orificio de mayor sección, la velocidad demismo (energía cinética) se reduce, transformándose en presión.

Así mismo, la presión estática es más elevada en el orificio de mayorsección. Según diseño, los compresores dinámicos pueden ser centrífugos

(radiales), axiales y radiaxiales (mezcla de los diseños anteriores). En generalestos tipos de compresores son más adecuados, para grandes caudales ypresiones relativamente bajas, aún cuando en máquinas de múltiples etapas lapresión puede aumentarse.

Fig. 3. Se muestra compresor deémbolo de simple y doble efecto




7. Depósito de aire

Una planta compresora incorpora normalmente uno o más depósitos deaire. Sus dimensiones han de adaptarse a la capacidad del compresor, sistemade regulación, presión de trabajo y variaciones del consumo de aire.

Los tanques almacenadores de aire sirven para:

• Almacenar aire comprimido para cuando la demanda momentánea exceda lacapacidad del compresor

• Incrementar la refrigeración y captar posibles condensados residuales ypequeñas gotas de aceite

• Compensar las variaciones de presión que tengan lugar en la red de tuberías• Evitar ciclos carga - descarga del compresor demasiado frecuentes

En los compresores con una presión efectiva de trabajo de hasta 9 bar ycondiciones normales en el consumo de aire, el tamaño del depósito enunidades de volumen, debería ser alrededor de seis veces la capacidad delcompresor, en las mismas unidades de volumen por segundo.

Fig. 4 Corte horizontal de uncompresor axial de cinco etapas.




Para el funcionamiento de un compresor con arranque y paradoautomáticos, debe seleccionarse el volumen del depósito de acuerdo con elconsumo de aire y capacidad del compresor, considerando que sólo puedenproducirse diez arranques por hora, igualmente distribuidos, con arranquescada seis minutos. En este caso, la diferencia de presión entre parada yarranque debe ser más alta; alrededor de 1 bar si ello fuera posible.

Algunos tipos de depósitos de aire comprimido se muestran en la figura 5.Los depósitos de aire comprimido podrán instalarse en posición horizontal overtical dependiendo del espacio libre en la sala de máquinas.

Fig. 5 La figura muestra diferentes tipos de depósitos deaire comprimido. Obsérvese que la salida de airecomprimido debe ser por el punto más alto, para evitar quepor gravedad que los condensados continúen hacia la redde distribución.




8. Secadores de aire

El aire comprimido, puede secarse mediante:

• condensación, obtenida por refrigeración,• por absorción, y• adsorción.

8.1. Enfriamiento y refrigeración

La capacidad del aire para retenerel vapor de agua, disminuye con latemperatura, por lo que el método másutilizado para secar el aire comprimido,es el de instalar un secador porrefrigeración.

El aire comprimido se hacecircular a través de un serpentín, que

por disipación transfiere el calor a laatmósfera, a este serpentín también sele conoce como intercambiador de caloraire - aire; sin embargo, el punto decondensación no es alcanzado losuficientemente como para secar elaire, por esta razón se coloca unasegunda etapa, en la cual por medio deaire frío se hace disminuir latemperatura del aire comprimido entrelos + 0.6 y 0.3 °C, esto es con el objetode que se produzca el punto de rocío sinllegar a la congelación de la humedad.El aire frío de la segunda etapa segenera a través de gas refrigerante.

Fig. 6 Secador de refrigeración ofrigorífico, de expansión directa, conrecuperación de calor.1. Aire húmedo2. Aire seco

3. Intercambiador de calor aire-aire4. Colector de humedad5. Intercambiador de calor6. Válvula de expansión7. Colector de humedad con

purgador o drenaje






9. Red de distribución de aire comprimido

9.1. Instalaciones interiores

Generalmente, la mejor forma de construir un sistema de tuberías, es lade anillo alrededor del área donde va a tener lugar el consumo de aire, tirandodesde este anillo principal tuberías de alimentación a los diferentes puntos deconsumo. De esta forma se obtiene, para un consumo de trabajo intermitente,un suministro de aire comprimido mucho más uniforme, supuesto que el mismofluye en dos direcciones.

Este sistema debería utilizarse para todas las instalaciones, a menos queexistieran puntos de consumo bastante alejados de la planta compresora, entales casos, dichos puntos deberían alimentarse por líneas principalesseparadas.

Fig. 8

Pueden utilizarse en un edificio con varias plantas, una serie de anillosconectados todos ellos a una artería común, o si resulta más conveniente,puede suspenderse la línea de aire comprimido del techo del piso inferior, conramificaciones para el piso superior y para el propio piso. Las tuberías interiorespueden instalarse básicamente, de dos formas perfectamente diferenciadas:




• a través de trincheras en el suelo, de las que parte el número de ramalessecundarios requerido, o

• suspendidas de las paredes o techo del edificio.

Estas disposiciones son para colocar trampas de condensados en cadatoma de aire, a demás en los casos de que la instalación sea aérea, las tomasde aire deberán descender en forma de cuello de ganso para evitar que loscondensados y partículas trepen por la tubería hacia la máquina.

Fig. 9 Planta de producción con la instalación de la red de aire comprimido




La tubería debe tener una inclinación de 1 al 2 % de la longitud total de latubería, considerando el punto más alto por donde entra el aire comprimido.Esta disposición es con la intención de conducir los condensados hacia la partemás baja de la tubería, donde se eliminarán a través de una trampa decondensados.

Este tipo de arreglo ayudará considerablemente a la preparación del airecomprimido sin adicionar costos.

Fig. 10 La red de distribución de aire comprimido debe seraérea, en el mejor de los casos, con una pendienteaproximada del 1 al 2 % de la longitud de la tubería. Paratuberías mayores a los 30 mts. es conveniente volver alevantar la tubería y nuevamente descender, simulando unosdientes de sierra, en cada punto más bajo deberá colocarseuna trampa de condensados y las tomas de aire se realizaránpor arriba evitando el paso de los condensados hacia lossistemas.








La eliminación de las partículas contenidas en el aire comprimido sepuede hacer por medio de filtros. Los filtros pretenden obstaculizar el paso deestas impurezas, reteniéndolas en su cuerpo. Una vez que el cuerpo filtrantese ha saturado con las partículas contaminantes deberá de ser reemplazado olimpiado según sea el método de filtración que se haya elegido.

1.) Filtración por superficie

Filtración por superficie Principio de estrangulación

Fig. 12 Filtro por estrangulamiento

Todas las partículas mayores a los poros son retenidas.

Ventajas: * una solución simple y económica

Desventaja: * Filtra únicamente partículas sólidas, yno fluidos (sin embargo, algunosfluidos se filtran con un estrangulador ciclónico)

2.) Filtro de micro multi-capas




Fig. 13. Filtro de micro multi - capas

Es un filtro en forma de cilindro hueco, consiste en varias capas filtrantes,

soportadas en un tubo metálicoEl filtro no solamente remueve las partículas sólidas, sino también retiene

fluidos como agua y aceite.

El material de pequeñas rendijas colecta el fluido y directamente lo mandahacia la parte inferior.

Ventajas: * Filtra partículas y fluidos* una larga superficie de contacto

(en forma tubo)

Desventaja: * caída de presión

Todas las unidades de servicio Festo (series D y S) están equipadasregularmente con un filtro estándar de 40 micrones (o 5 micrones).

Pero : Algunas veces se requiere de mayor filtración !!Porque: El 80 % de los contaminantes es menor de los 2

micrones de tamaño !

Dónde es crucial tener aire limpio???




En la Industria Farmacéutica y QuímicaProcesadoIndustria alimenticia

La filtración debe hacerse siempre en etapas, de otra manera el elementofiltrante podría saturarse inmediatamente.

40 µm5 µm

1 µm| 0.01 µm

En caso de bajo nivel de contaminación las etapas intermedias puedenser omitidas.






Las características que deben cumplir los filtros se especifican mediantenormas internacionales. A continuación se describe la norma ISO para filtros.

Para el producto Festo su variedad de filtros de la serie HF se clasifica:

LFMA Clase 1 (Partículas)Clase 2 (Aceite atomizado)

LFMB Clase 2 (Partículas)Clase 3 (Aceite atomizado)

LFMBA Clase 1 (Partículas)Clase 2 (Aceite atomizado)

Carta de especificaciones ISO

(según ISO 8573-1)Clase Tamaño de

partículaMicrón

Punto de rocíoEn grados C

Máximo contenido deaceitemg/m3

1 0.1 -70 0.012 1 -40 0,13 5 -20 14 15 +3 5

5 40 +7 256 - +10 -




Las aplicaciones de los filtros son variadas, y se muestran algunosejemplos a continuación.

Aplicación ClaseSólidos Agua Aceite

Minas 5 7 5Limpiado 5 6 4Máquinas de soldado 5 6 5Máquina y herramientas 5 4 5Cilindros neumáticos 3 4 5

Empaquetado 5 4 3Micro regulador depresión

3 3 3

Medición de aire 2 4 3Cushioning Air 2 3 3Sensado 2 2-3 2Industria alimenticia 2 4 1Procesos de fotografía 1 2 1

10.3. Regulador de presiónEn el suministro de aire comprimido es bastante común que se produzcan

variaciones en la presión. Estas se deben principalmente, a los cambios en elconsumo de aire. Una presión demasiado elevada, origina un gasto mayor deenergía incrementando su costo innecesariamente. Por otra parte tambiénincrementa el desgaste de las partes de las herramientas y conexiones. Talesproblemas pueden resolverse instalando reguladores de presión, después delfiltro de aire. Un regulador reduce una presión de aire primaria elevada, a unapresión secundaria adecuada para el trabajo. También mide y corrige lasdesviaciones en presión.

El regulador (ó válvula de presión), tiene la misión de mantener constanteel consumo de aire y la presión de trabajo (presión secundaria) conindependencia de la presión de la red variable (presión primaria). La presión de




entrada es siempre mayor que la presión de salida. La válvula de presión regulala presión secundaria mediante una membrana (1) (ver figura). Una de lascaras de la membrana es impulsada por la presión de salida, y en la otra partese coloca un muelle (2) cuya fuerza es regulable por un tornillo de ajuste (3). Deeste modo puede graduarse la presión secundaria.

Al aumentar la presión de salida, la membrana se mueve venciendo lafuerza del muelle, por lo que la sección de paso en la junta de la válvula varíade modo continuo o se cierra por completo, regulándose la presión de salida através del caudal que circula. Al tomarse aire, desciende la presión y la fuerzadel muelle hace que se abra la válvula. La regulación de la presión de salidaimplica un constante abrir y cerrar de la válvula. Con el fin de que no sepresenten fenómenos de vibración, se monta sobre el plato de la válvula (6) unsistema de amortiguación por aire o por resorte (5). La presión de salida, igual ala presión de trabajo, es indicada por un manómetro.

Se distinguen dos clases de reguladores, con o sin orificio de escape. Sebaja la presión secundaria accionando el tornillo de ajuste, debe aparecer en elregulador sin escape un consumo por parte del secundario con el fin de que serebaje la presión más alta ya establecida. En el regulador con escape, lapresión más alta establecida de antemano es purgada al exterior a través delorifico destinado a este fin hasta que se alcanza la presión secundaria ajustada.En este tipo no se precisa ningún consumo en el secundario. La fig. 16 muestraun regulador de escape.




Fig. 16 Corte transversal de unregulador de presión.1. Membrana

2. Muelle (contrapresión)3. Tornillo de ajuste para lapresión secundaria

4. Válvulas de asiento5. Muelle amortiguador (para las

vibraciones que aparecen por elcontinuo abrir y cerrar)

6. Plato de válvula




10.4. Lubricadores

La mayor parte de los equipos neumáticos requieren lubricación. Ellubricante se suministra generalmente con el aire comprimido, y esto no sóloreduce la fricción entre las partes móviles, sino que además, el aceite protege alos equipos contra la corrosión interna y produce sellados interiores mucho másefectivos.

Debe de observarse que la presencia de aceite en el aire comprimido,luego de salir de un compresor lubricado, tiene solamente un valor limitadocomo lubricante, ya que éste se ha visto sometido a elevadas temperaturas

dentro de la unidad compresora, de tal modo, que este aceite se comportacomo abrasivo y no es conveniente en el aire comprimido por lo que esnecesario eliminarlo. El aceite que se aplica en los lubricadores después de launidad de filtrado y de regulación es de características de viscosidadespeciales, además de estar limpio por lo que sí cumple con los requerimientosantes señalados.

Los lubricadores por niebla de aceite proporcionan al aire comprimido unsuministro continuo de lubricante en forma “atomizada”. La cantidad delubricante suministrada es directamente proporcional al consumo de airecomprimido. Tales lubricadores pueden utilizarse con capacidades que oscilanentre 0.12 y 420 l/s. La caída de presión que originan es muy pequeña, por loque no afecta el rendimiento de la unidad de mantenimiento.

El principio de funcionamiento de los citados lubricadores se muestra enla fig.17 . El aire comprimido pasa a través de un restrictor o válvula regulablecargado por muelle. La presión del aire de entrada se conecta también aldepósito de aceite. Cuando el aire pasa a través del restrictor su velocidadaumenta, con lo que se produce una caída de presión enfrente del conducto de

aceite y la presión, dentro del depósito de aceite, fuerza entonces al lubricantehacia la corriente de aire, donde se “atomiza”. El volumen de aceite asuministrar se regula mediante el tornillo de ajuste.




La figura representa la sección de un lubricador, siendo el sentido de lacorriente de aire de P 1 hacia P2 . Una válvula reguladora H hace que una partedel aire circule a través de la tobera C hacia E en el depósito de aceite; en esteúltimo, el aire se satura de aceite y, por la acción de la sobre presión en eldepósito E y el efecto de aspiración (por la baja presión) en C, el aire circuladesde el depósito E a través del tubo de plástico L y aparece en el recinto d enforma de goteo. Mediante el tornillo de ajuste K existe la posibilidad de ajustarlas gotas de aceite por unidad de tiempo. Con la salida F se consigue unadesviación del aire saturado de aceite por lo que las gotas gruesas caen en eldepósito E y la niebla oleosa pasa a la corriente de aire a través de G hacia P 2;aquí se mezcla con el aire circulante en una proporción que es función de lafuerza del resorte de la válvula de regulación y de la diferencia de presión entreP1 y P 2. Según el tipo del lubricador sólo puede reponerse el aceite con el airecomprimido desconectado, pero en los tipos más recientes puede hacersetambién con el aire circulando.

Fig. 17 Unidad de lubricación




El sistema fácil de construcción de redes de

distribución de aire comprimido

Instalación rápidaCortar, colocar y listo!Fácil montaje y

Versátil Apropiados para la distribución deaire comprimido, vacío y líquidosLubricación sin silicona

Funcionamiento seguroLibre de fugas

Anti-corrosivos Aislante de la electricidad(ejec. Plástico)Escasa resistencia al flujo

La serie de racores rápidos CQ

•Apropiada para los diámetros exterioresde tubos flexibles 12, 15, 18 y 22 mm•Sujeción en el diámetro exterior•Sin reducción en el diámetro exterior•Puede soltarse y fijarse varias veces•No se requiere material hermetizante para

la rosca•Escaso pesos en comparación con lostubos de acero y racores metálicos




Racores CQ y tuberías PQ




Filtro de aire a presión tipo LFCon deposito y funda de materialplástico, o con funda metálicaCon cartucho filtrante de 40 o 5 µ m

Serie - M




Válvula reguladora de presiónTipo LRCon bloqueo del botón reguladorCon o sin manómetro0 hasta 4 bar0 hasta 7 bar0 hasta 10 bar0 hasta 16 bar

Serie - M




Con depósito y funda de materialplástico, o metálico

LubricadorTipo LOE

Serie - M






Con depósito y funda de materialplástico, o metálicoCon o sin manómetroBloqueo del botón reguladorCon cartucho filtrante de

40 o 5 µ m

Filtro + ReguladorTipo LFR

Serie - M




Con depósito de material plástico yfunda o con depósito metálicoCon cartucho filtrante de 0,01µm ofiltro de carbón activo de 0,003µmIndicación de presión diferencial

Serie - M

Filtro micrónico de aire a presiónTipo LFM




Con o sin función integradaantirretorno

Bloque de distribuciónTipo FRM

Válvula de 3/2 vías:Paso de izquierda a derecha(HEA)Paso de derecha a izquierda(HEB)

Válvula manualTipo HEA/HEB

Válvula de 2/2 víasGeneración retardada de la presiónCon bobina magnética, sin enchufe ocon accionamiento neumático auxiliarmanualPara presión nominal de 10 y 16 bar

Válvula de arranque progresivoTipo HEL






Para punto de rocíobajo presión de -40°CPara punto de rocíobajo presión de -20°C

Secador de aire con membranaTipo LD

Serie - M




Con dos cámaras de secadopor adsorciónFiltros de entrada y salidaPunto de rocío de -40 °C(opcionalmente - 70 °C)

Pureza del aire segúncategorías ISO 8573.1 en lasalida de aire de 1.2.2(opcionalmente 1.1.2)

Secador por adsorciónTipo LDF




Filtros combinados con filtrosde 1 y 0,01µmElevada calidad del aireMayor intervalo entreservicios de mantenimiento

Filtro submicrónicoTipo LFMBA




Monitoreo de la presión

Elemento pizoeléctricoPresión de funcionamiento de 0 a12 bar2 salidas analógicas de 0 a 10 V, o

de 4 a 20 mA2 salidas digitales por relé 150 mA Ajuste de histéresis y conmutacióndigitalmente

Convertidor y medidor depresión o vacío

Elemento pizoeléctricoPresión de funcionamiento de 0 a12 bar2 salidas analógicas de 0 a 10 V, ode 4 a 20 mA2 salidas digitales por relé 70Vc.c./60 W / 2 A, N.A. o N.C.

Ajuste de histéresis y conmutacióndigitalmente

Convertidor y medidor depresión




Tubos flexibles

Temperaturas de trabajo de -35 ºCa +60ºCDiámetro exterior desde 3 mm a16 mmFacilidad de identificación porvariedad en colores:•plateado•azul•amarillo•verde•rojo

Tubo flexibleTipo PUN y PAN




11. Conclusión

La contaminación del aire comprimido en sus primeras etapas puedeparecer un simple malestar dentro de nuestro sistema de producción, sinembargo, sino no se corrige, con el tiempo tiende a extenderse atacando todoslos componentes neumáticos de nuestra planta, provocando el fatal paro deproducción.

Aún en los depósitos de aire comprimido y redes de distribución, sino sepurgan periódicamente, los condensados se sedimentan gradualmente en él,bloqueando inclusive las válvulas de purga, reduciendo con el paso de los años

el volumen de almacenaje y flujo de aire, de tal manera que para poder repararesta falla será necesario cortar el tanque y tuberías.

La falla más inmediata y frecuente al tener contaminantes en el aire, es ladestrucción de los sellos y empaques de válvulas y actuadores, impidiendo asíel funcionamiento de las máquinas y aumentando el costo.

Definitivamente, una vez que se tiene la contaminación en el airecomprimido debe de eliminarse, ya que de otra manera este avanzarádestruyendo todo lo que encuentra.

La base de la competitividad esta en la eficiencia, eficiencia de los mediosy recursos de producción, y que Festo le ayudará a optimizar.

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