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Sistemas Hidráulicos y Neumáticos 513103008 Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos

UD1. Introducción a los sistemas de potencia fluida hidráulicos y neumáticos T1. Componentes de los sistemas de potencia fluida. Simbología T2. Fluidos hidráulicos de trabajo. Propiedades. Tratamiento del aire comprimido T3. Bombas de desplazamiento positivo (BDP) y compresores En esta Unidad Didáctica se estudian en primer lugar los aspectos básicos sobre sistemas hidráulicos y neumáticos: Ventajas e inconvenientes de cada sistema, aplicaciones, componentes básicos y simbología utilizada para la representación esquemática de los circuitos. En segundo lugar se estudian las propiedades que deben tener los fluidos de trabajo utilizados en sistemas hidráulicos y las necesidades de tratamiento del aire comprimido en función de la aplicación. Por último, se estudian las características y prestaciones de los diferentes tipos de bombas de desplazamiento positivo y compresores que se pueden utilizar en sistemas hidráulicos y neumáticos respectivamente. Los resultados esperados del aprendizaje para esta Unidad Didáctica son:

- Explicar la función que cumplen los componentes básicos de los sistemas de potencia fluida hidráulicos y neumáticos, e identificarlos por su representación simbólica según normativa.

- En sistemas hidráulicos, enumerar las propiedades que debe tener el fluido y seleccionar el más adecuado en función de la aplicación. En sistemas neumáticos y redes de aire comprimido, determinar las necesidades de tratamiento del aire en cuanto a secado, filtración y lubricación en función de la aplicación y explicar en qué consiste cada una de ellas.

- Seleccionar la bomba de desplazamiento positivo (BDP), o el compresor más adecuado en sistemas hidráulicos o neumáticos respectivamente y explicar su funcionamiento.

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T2. Fluidos hidráulicos de trabajo. Propiedades. Tratamiento del aire comprimido 2.1 Fluidos de trabajo en sistemas de potencia fluida 2.2 Propiedades de los fluidos hidráulicos 2.3 Generalidades sobre la producción de aire comprimido para sistemas neumáticos 2.4 Tratamiento de aire comprimido

2.4.1 Calidad del aire 2.4.2 Especificación de la calidad del aire requerida según ISO-8573 2.4.3 Ejemplos de calidad del aire requerido según las aplicaciones

2.5 Secadores 2.5.1 Secadores pasivos 2.5.2 Secadores activos 2.6 Filtros, lubricadores y reguladores

2.6.1 Filtros 2.6.2 Lubricadores 2.6.3 Reguladores 2.6.4 Unidades de mantenimiento

2.1 Fluidos de trabajo en sistemas de potencia fluida El fluido hidráulico más común y económico es el agua, sin embargo presenta grandes inconvenientes para ser utilizado en este tipo de circuitos de transmisión de potencia, tales como: - Produce corrosión en conducciones metálicas - Tiene un alto punto de congelación y bajo punto de ebullición - No tiene características lubricantes ni anti-desgaste - No es adecuado para trabajar con altas presiones En la actualidad se utilizan fluidos hidráulicos naturales aditivados o sintéticos que presentan unas propiedades especialmente adecuadas a este tipo de tecnología, tales como:

- Aceites minerales inhibidos frente a la corrosión y oxidación (HL R&O) - Aceites de alta presión (no emulsionan agua) (HLP) - Fluidos sintéticos y de seguridad (para trabajo en ambientes con peligro de explosión) - Fluidos hidráulicos biodegradables

Los fluidos hidráulicos utilizados en la actualidad se clasifican en:

- Aceites minerales. Obtenidos por destilación del petróleo. (Presentan un elevado índice de viscosidad, tienen propiedades anticorrosivas, anti-desgaste, etc).

- Fluidos ininflamables:

- Mezclas agua-glicol. (Contenido en agua entre 20 y 45%) Etilen-glicol-agua o Propilen-glicol-agua

- Fluidos sintéticos. Su principal inconveniente es que tienen elevado coste. - Éster-Fosfatos - Hidrocarburos clorados o halogenados - Ésteres orgánicos - Emulsiones agua-aceite (Taladrina soluble). Es una disolución de aceite en agua

con un contenido entre el 3 y el 15% de aceite) - Emulsiones inversas. Disoluciones de agua en aceite (contenido en agua del 40%).

Tienen bajo poder de lubricación, son ininflamables y producen la evaporación del agua.

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En sistemas neumáticos y redes de aire comprimido el fluido utilizado obviamente es el aire. El aire atmosférico contiene gran número de compuestos gaseosos, así como vapor de agua y contaminantes varios (humos, polen, polvo, contaminantes gaseosos cerca de las fuentes de emisión de estos productos, etc.) Se denomina aire seco, al aire atmosférico una vez eliminados tanto todo el vapor de agua como los contaminantes presentes. Numerosas mediciones han demostrado que la composición del aire seco, es relativamente constante, salvo pequeñas variaciones en función del tiempo, localización geográfica y altitud. La composición aproximada en % de volumen es la mostrada en la Tabla 2.1:

Elemento % (Volumen) Nitrógeno 78,08 Oxígeno 20,95 Argón 0,93

Dióxido de carbono 0,03 Otros 0,01

Tabla 2.1 Composición del aire atmosférico

Las principales propiedades físicas del aire se muestran en la Tabla 2.2:

Peso molecular 28,96 g/mol Densidad (15ºC, 1 bar) 1,208 kg/m3 Tª de ebullición (1bar) 78,8 K Tª de congelación (1bar) 57- 61 K Rg 287 J/Kg K Presión crítica 37,66 bar Tª crítica 132,52 K

Tabla 2.2 Propiedades físicas del aire

La constante universal de los gases se define como el producto del número de Avogadro (NA=6.022∙1023 mol-1) y la constante de Boltzman (k=1.38∙10-23 J/K).

)molK/J( 314.81038,110022,6kNR 2323Au =⋅⋅⋅== −

La constante propia de un gas se obtiene dividiendo la constante universal por su masa molecular, para el aire tiene un valor de:

)kgK/J(28702896,0314.8

M

RR u

g ===

donde, M es la masa molecular del aire seco (28,96 g/mol). Para determinar el estado en que se encuentra un gas ideal se precisa conocer, directa o indirectamente, dos de las siguientes propiedades: presión absoluta, volumen específico o temperatura.

El aire húmedo es una mezcla binaria (de aire seco y vapor de agua). La cantidad de vapor de agua puede variar de 0 (aire seco), hasta un máximo que depende de las condiciones de presión y temperatura; en este último caso, se habla de saturación (un estado de equilibrio entre el aire húmedo y la fase de agua condensada). La masa molecular del agua es 18,01534 kg/kmol, y la constante R es 461,52 J/kgK. Las relaciones matemáticas que se utilizan son las correspondientes a los utilizados en las mezclas ideales, ya que el aire seco, como gas se encuentra a bajas presiones y temperaturas moderadas y el vapor de agua, normalmente, se encuentra en estado de vapor sobrecalentado. Existen diferentes condiciones de presión y temperatura a las que referir las condiciones del aire antes de la compresión. Las más extendidas se indican en la Tabla 2.3.

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Normativa Tª aire Presión

ISO 1217:1996 (Compresores)

20 ºC 1 bar

ANR Condiciones

normales 0 ºC 1 atm

ISO 7183 (Secadores)

20 ºC (antes del compresor) 35 ºC (Tª tras compresión)

25 ºC (para el secador) 1 bar

Condiciones estándar

25º C 1 atm

Tabla 2.3 Propiedades del aire aspirado según diferentes normativas

Definiciones:

- Modelo de gas ideal. Este modelo teórico simplifica el caso real, facilitando el cálculo.

Salvo que se esté trabajando en sistemas con elevadas presiones, su aplicación es válida. El calor específico del gas es definido con una ecuación dependiente de la temperatura que se asemeja a la realidad.

TRp

g=ρ

- Modelo de gas real. Modelo exacto del gas, basado en estudios experimentales. Para poder conocer el comportamiento de un gas real se emplea la ecuación

TZRp

g=ρ

donde, p es la presión absoluta, en Pa, ρ, la densidad, en kg/m3, Z el factor de compresibilidad (adimensional), Rg la constante del gas (para el aire 287 J/kgK) y T la temperatura absoluta, en K. El factor de compresibilidad actúa como corrector, pero generalmente la corrección es mínima y puede ser ignorada. Conforme aumenta la presión y su proximidad al estado líquido, las condiciones teóricas y reales difieren, siendo necesaria su inclusión de este factor en la ecuación.

- Relaciones entre estados termodinámicos. a) Ley de Boyle: A temperatura constante, la presión de un gas varía de modo inversamente proporcional a su volumen.

1

2

2

1

PP

VV

=

b) Ley de Charles: A presión constante, el volumen de un gas está relacionado directamente con la temperatura.

2

1

2

1

TT

VV

=

c) Ley de Amonton: A volumen constante, la presión de un gas varía de modo directamente proporcional con la temperatura.

2

1

2

1

TT

PP

=

Para definir el estado de una mezcla gaseosa, no es suficiente con saber la p y T, también se necesita conocer que cantidad de cada componente se tiene. Así, para definir el estado termodinámico del aire húmedo; además de conocer la p y T se necesita conocer uno de los siguientes parámetros:

- Humedad relativa (HR) - Grado de humedad (humedad absoluta) - Grado de saturación

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Propiedades del Aire Húmedo.

- Densidad del vapor de agua en aire saturado TRp vss =ρ

- Densidad del vapor de agua en aire húmedo TRp vvv =ρ

- Densidad del aire húmedo. Es igual a la suma de las densidades del vapor de agua y del aire seco a las respectivas presiones parciales y a la temperatura de la mezcla

vs ρ+ρ=ρ - Humedad relativa del aire (HR). La humedad relativa es la relación entre la densidad del

vapor de agua en la mezcla o aire húmedo y la densidad del vapor de agua en una mezcla saturada a la misma temperatura. También se puede expresar como la relación entre la cantidad de vapor de agua que posee el aire a una temperatura determinada, y la máxima que es capaz de tener. Se expresa en tanto por ciento

s

v

s

v

p

p=

ρρ

=ϕ

- Humedad absoluta del aire. Se denomina humedad absoluta del aire a la relación entre

la masa de vapor de agua que hay en cierta cantidad de aire húmedo y la masa de aire seco de dicha cantidad. Es la cantidad de vapor de agua contenida en el aire. Normalmente expresada en g/m3

a

v

m

m=ω

La relación entre el grado de humedad ω y la presión total del aire húmedo y las presiones parciales del vapor de agua y el aire seco es:

TRmVp aaa = TRmVp vvv =

ω===

16215,0

m

m6215,0

R

R

m

m

p

p

v

a

v

a

v

a

v

a

s

s

a

v

a

v

pp

p6215,0

pp

p6215,0

p

p6215,0

ϕ−ϕ

=−

==ω (siendo va ppp += )

- Grado de saturación del aire. El grado de saturación del aire es la relación entre el

grado de humedad de la mezcla ω y el grado de humedad máximo sω ,o grado de humedad de una mezcla saturada a la misma temperatura.

v

s

s

s

v

v

s pp

p-p

pp

p6215,0

pp

p6215,0

−ϕ=

−

−=

ωω

=ψ

- Punto de rocío. El punto de rocío del aire húmedo es la temperatura a la cual pasa a

ser aire húmedo saturado, si se enfría a presión total constante y grado de humedad constante. Es decir, es la temperatura a la que el vapor de agua condensa. Depende de la presión, por lo tanto debe especificarse la temperatura de rocío a la presión de trabajo. (Figura 2.1).

- Punto de rocío atmosférico. Temperatura a la cual se alcanza el grado de saturación a presión atmosférica

- Punto de rocío de presión. Temperatura a la cual se alcanza el grado de saturación a una presión determinada

- Temperatura de bulbo seco. Es la temperatura que se mide mediante un termómetro normal, que indica la temperatura del aire húmedo.

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- Temperatura de bulbo húmedo. Es la temperatura que se mide con un termómetro cuyo bulbo está recubierto de una muselina con agua y está expuesto a una corriente de aire. Entonces, si el aire húmedo no está saturado se produce una evaporación del agua que contiene la tela tanto más intensa cuanto más seco está el aire, y se observa un descenso gradual de su temperatura hasta un valor constante denominado “temperatura de bulbo húmedo”. Debido a que el aire húmedo en general no se encuentra saturado se produce una evaporación espontánea del agua de la mecha que intenta saturar el aire. El calor latente de evaporación del agua proviene, en una primera fase, de la misma agua, produciéndose un descenso de su temperatura. Al producirse una diferencia de temperatura entre el agua de la mecha y el aire, se iniciará una transferencia de calor por convección entre el aire y el agua, que contribuirá a la evaporación del agua. A medida que va descendiendo la temperatura del agua, la contribución térmica del aire será progresivamente mayor que la proveniente de la propia agua, hasta llegar a un punto de equilibrio en que la temperatura del agua (bulbo húmedo del termómetro) alcanza un valor constante, denominada temperatura de bulbo húmedo). En esta situación todo el calor necesario para vaporizar el agua proviene solamente del aire. Como conclusión, tenemos que la temperatura de bulbo húmedo es un parámetro indicativo del grado de humedad del aire, cuanto más seco sea el aire húmedo mayor será el flujo de agua desde la mecha y menor la temperatura de bulbo húmedo. Y por otra parte cuando una masa de agua se pone en contacto con una corriente de aire, el agua como máximo se puede enfriar hasta la temperatura de bulbo húmedo.

Figura 2.1 Relación entre temperaturas de rocío a diferentes presiones

2.2 Propiedades de los fluidos hidráulicos Para la correcta selección del fluido hidráulico más adecuado según sus propiedades, deben considerarse los siguientes factores: - Temperatura de trabajo - Picos de temperatura de operación

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- Mínima temperatura de arranque - Posible contaminación del agua - Ambiente corrosivo - Riesgo de incendio - Compatibilidad con las juntas - Toxicidad La selección también puede llevarse a cabo en función del tipo de trabajo o misión principal que debe realizar, que puede ser: a) Transmitir potencia. Todos son válidos, solo influye el índice de viscosidad y las

pérdidas hidráulicas que producen b) Lubricar el sistema c) Refrigerar d) Minimizar fugas y pérdidas de carga (cuanto mayor sea la viscosidad menores fugas) e) Ser inerte a juntas y sellantes En la Tabla 2.4 se resumen las prestaciones de diferentes tipos de fluidos utilizados en sistemas hidráulicos.

Aceites min. Antidesgaste

Agua-Glycol

Ester-Fosfatos Aceites Sintéticos

Emulsión inversa

Emulsión Aceite-Agua

Agua aditivada

Densidad 0.85 – 0.89 1.1 1.15 1 0.96 1 1

IV Bueno Excelente Regular Bueno Bueno ----- ----

Lubricante Excelente Bueno Excelente Bueno Regular Limitado Limitado

Anticorrosión Excelente Regular Bueno Bueno Regular Regular Regular

Antioxidante Excelente Bueno Bueno Bueno Bueno Bueno Bueno

Rango Temp. -5 a 65ºC -20 a 50ºC -5 a 65ºC -5 a 65ºC 0 a 50ºC 0 a 50ºC 0 a 50ºC

Presión vapor Baja Alta Baja Baja Alta Alta Alta

Resist. Fuego Pobre Excelente Buena Regular Regular Excelente Excelente

T. ignición 300ºC ---- 590ºC 450ºC ---- ---- ----

Transf. Calor Bueno Excelente Bueno Bueno Excelente Excelente Excelente

Incomp. juntas Mínima Mínima Severa Severa Mínima Mínima Mínima

Incom. pinturas Ninguna Mínima Severa Severa Moderada Mínima Mínima

Metales incom. Ninguno Zn, Cd Ninguno Ninguno Ninguno Ninguno Ninguno

Coste relativo 1 4 7 4 1.5 0.05 a 0.1 0.1 a 0.15

Tabla 2.4 Propiedades de los fluidos utilizados en sistemas hidráulicos

2.3 Generalidades sobre la producción de aire comprimido para sistemas neumáticos El aire comprimido es una fuente de energía versátil, segura, cómoda y ampliamente utilizada en la industria. Se genera normalmente de forma centralizada y se almacena de forma centralizada o distribuida para ser transportado mediante una red de conductos para su uso en herramientas neumáticas o para alimentación de circuitos neumáticos de automatización industrial. Los principales usos, por tanto, son: - Sistemas neumáticos - Sistemas de limpieza y transporte - Sistemas de enfriamiento - Alimentación de herramientas neumáticas

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Se pueden conseguir ahorros importantes entre el 10% y el 30% de la potencia consumida por el compresor con pequeñas inversiones destinadas a: - Mejorando la eficiencia energética (red de conductos y puntos de consumo) - Tratamiento adecuado a las necesidades del aire comprimido - Optimizando la generación del aire comprimido y las estrategias de control El coste del aire comprimido se analiza mediante la obtención de dos parámetros:

- Consumo específico de potencia (SPC) kW/(Nm3/min. El ratio de compresión eficiente es del orden de 6,7 kW/(Nm3/min). - Coste energético Euros/kWh (≈0,08 Euros/kWh)

2.4 Tratamiento de aire comprimido

El aire, en el estado natural en el que es aspirado por el compresor, no siempre es apto para su uso en este tipo de instalaciones. La humedad y las partículas en suspensión son los principales problemas. El aire atmosférico contiene humedad y gran cantidad de impurezas, así, el nivel de hidrocarburos puede alcanzar valores entre 4 y 14 mg/m3 en zonas normales debido al tráfico y en entornos industriales. También se pueden encontrar otros elementos contaminantes, como polvo, dióxidos de azufre u hollín, etc.

Por otro lado, durante la compresión se produce un calentamiento del aire que aumenta su capacidad para absorber humedad y se aporta aceite procedente del sistema de lubricación del compresor, dando lugar a un incremento de la concentración de estas sustancias contaminantes. Para que este contenido en agua e impurezas no sean transportadas por la red de conductos y puedan llegar a los elementos de regulación, control o actuadores y deteriorarlos, es necesario realizar unas operaciones de preparación y tratamiento, que consisten en reducir a niveles aceptables el contenido en agua y aceite y la eliminación de impurezas.

Figura 2.2 Instalación de componentes para tratamiento del aire comprimido 2.4.1 Calidad del aire En la Tabla 2.5 se indica una clasificación de la calidad del aire en 10 clases, desde la Clase 0 (menos exigente) a la Clases 8 y 9 en las que el único requerimiento es el del contenido en humedad del aire. Es una ampliación teniendo en cuenta varias referencias de lo establecido en la norma ISO 8573 - Parte 1 de 1991, con la revisión de 2001 (Tabla 2.6).

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Tabla 2.5 Calidad del aire

Revisión 2001

Partículas sólidas / polvo Humedad Aceite

Nº máximo de partículas por m3 con d (μm) C

lase

≤ 0,1

0,1

≤ d

0,5

≤ d

1,0

≤ d

μm

mg/

m3

Punto de rocío

(x ≈ g/m3

de líquido)

mg/ m3

0 Según necesidades del cliente 1 - 100 1 0 - ≤ -70 ºC ≤ 0,01 2 - 10000

0 1000 10 - ≤ -40 ºC ≤ 0,1

3 - - 10000 50 - ≤ -20 ºC ≤ 1 4 - - - 1000 - ≤ +3 ºC ≤ 5 5 - - - 20000 - ≤ +7 ºC - 6 - ≤ 5 ≤ 5 ≤ +10 ºC - 7 - ≤ 40 ≤ 10 x ≤ 0,5 - 8 - - - 0,5 ≤ x ≤

5 -

9 - - - 5 ≤ x ≤ 10 -

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Tabla 2.6 Calidad del aire según norma ISO 8573-1. Tabla ampliada

Calidad del aire comprimido según el uso - La calidad del aire depende de su contenido en polvo, agua y aceite (ISO 8573-1) - El tratamiento del aire comprimido incrementa los costes - Utilización de secadores y filtros adecuados a las necesidades - Deben intercalarse separadores automáticos de condensados en diferentes puntos

Tabla 2.7 Calidad del aire según norma ISO 8573-1

A la presión de trabajo ≈ 7 bar

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2.4.2 Especificación de la calidad del aire requerida según ISO-8573

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2.4.3 Ejemplos de calidad del aire requerido según las aplicaciones

Figura 2.3 Calidad del aire en aplicaciones críticas

Figura 2.4 Calidad del aire en aplicaciones en la que se requiere alta calidad en contenido en aceite

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Figura 2.5 Calidad del aire en aplicaciones de propósito general En la Tabla 2.8 se indica de forma muy resumida la calidad del aire requerida para algunas aplicaciones industriales.

Calidades requeridas Partículas (polvo)

Agua Aceite

Herramientas manuales 4 4 4 Cilindros neumáticos 3 5 3 Maquinaria en general 4 5 4 Fabricación componentes electrónicos 1 1 1

Tabla 2.8 Calidad del aire requerida en aplicaciones industriales

Aire esterilizado El aire comprimido no precisa, por lo general, de unos niveles de pureza excesivos. La mayor parte de la maquinaria industrial tiene suficiente con un aire de calidad ISO 3 ó 4. En ocasiones, se precisa un aire de grado 5 y, muy raras veces, de grado 6. El aire comprimido de grado 6, si se precisa, puede ser esterilizado eliminando virus y bacterias. En algunos tipos de instalaciones no es suficiente un aire de grado 6 y es necesario purificar el aire aún más, dejándolo libre de bacterias y virus para el consumo humano. Ejemplo de ello pueden ser: - Industria farmacéutica - Industria alimentaria - Industria de bebidas - Hospitales

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En todos los casos, cualquier partícula, virus ó bacteria que pueda haber en el aire acaba en los humanos, bien por inhalación directa, bien a través de los alimentos. No esterilizar este aire comprimido supone un riesgo severo para la salud. 2.5 Secadores

El aire, en función de su temperatura y presión, es capaz de contener una cantidad determinada de agua en forma de vapor. Así a 25 ºC, el aire puede alcanzar una humedad de más de 20 gr/m3. Si se comprime, el aire aumenta su temperatura y reduce su volumen, con lo que la concentración de vapor de agua aumenta, no produciéndose la condensación. Al salir del compresor, su temperatura desciende y ya no es capaz de mantener la concentración de agua que termina condensándose, con el consiguiente deterioro de la instalación por los siguientes efectos:

- Oxidación de los elementos metálicos - Desgaste prematuro de la instalación por los impactos causados por las gotas de agua

al ser arrastradas por el aire - Obstrucción parcial o total de algún tramo de la instalación - Funcionamiento inadecuado de algunas herramientas - Posibilidad de congelación en aquellos tramos que puedan estar expuestos a bajas

temperaturas (invierno, cámaras de congelados, etc.)

Existen diversos métodos en el mercado para eliminar el exceso de humedad de la instalación. Cada uno de estos métodos tiene su función en un punto distinto de la instalación.

Los secadores pueden agruparse básicamente en:

a) Secadores PASIVOS: - Separador ciclónico (efecto centrífugo y choque)

- Absorción (proceso químico). Secadores químicos b) Secadores ACTIVOS: - Condensación (mecánica o por refrigeración)

- Adsorción (proceso físico). Secadores desecantes (Sílica, Alúmina activada, etc.)

2.5.1 Secadores pasivos Los sistemas de secado pasivo no consumen energía. Suelen ser empleados en instalaciones en las que el caudal requerido es pequeño y no hay una elevada cantidad de condensados. También pueden emplearse en instalaciones medianas o grandes, instalándolos junto a los puntos de consumo cuando se requiere un aire muy seco en una herramienta pero no en el resto de la instalación. Los secadores basados en el efecto ciclónico provocan el choque del flujo de aire comprimido y la separación de por efecto de la fuerza centrífuga al hacerlo girar en forma de vórtice. La fuerza centrífuga hace condensar por precipitación en las paredes del componente parte de la humedad. Es el equipo de secado más económico, y funcionan incrementando la velocidad del aire a tratar y cambiando su dirección (ciclón), con lo que las partículas sólidas y líquidas que estén en suspensión en el aire, por la fuerza centrífuga quedan retenidas en las paredes del recipiente y por decantación caen al fondo del separador de donde son extraídas al exterior.

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Figura 2.6 Secadores ciclónicos Los secadores químicos o por absorción, utilizan sustancias higroscópicas desecantes líquidas o sólidas que reaccionan con el vapor de agua mediante una reacción química formando sustancias normalmente corrosivas como el cloruro sódico o ácido sulfúrico diluido. La sustancia desecante, altamente higroscópica, retiene el vapor de agua contenido con el aire comprimido. Aunque son muy económicas, necesitan reponer periódicamente la carga del producto que se emplee, además que para un correcto funcionamiento, necesitan que el aire que entre esté lo más frío posible, no son recomendables temperaturas de aire superior a los 30ºC. El producto que se genera que es una emulsión agua sales drenado de forma continua y el punto de rocío se reduce como máximo alrededor de 10ºC por debajo de la temperatura del aire de entrada, por lo que la eficacia en la eliminación del agua es reducida. En cambio, como ventaja, no requieren consumo de energía eléctrica y son económicos. Como inconveniente tienen que el aire se puede contaminar con la sustancia utilizada y que producen una pérdida de carga elevada, por lo que no son muy utilizados.

Figura 2.7 Secadores por absorción

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2.5.2 Secadores activos Los secadores activos se utilizan para caudales mayores que los pasivos. El consumo energético de este tipo de secadores representa aproximadamente entre el 3% y el 5% de la potencia del compresor. Pueden ser de dos tipos:

- Secadores por condensación (mecánica o mediante un sistema de refrigeración). La temperatura de rocío que se alcanza es de alrededor de 3ºC

- Secadores por adsorción. En este caso la humedad es eliminada mediante un proceso físico de atracción y adhesión del vapor de agua al circular a través de un lecho de material poroso granular con propiedades desecantes. Permite alcanzar temperaturas de rocío entre -20ºC y -70ºC.

Los secadores por condensación constan básicamente de un circuito frigorífico de producción de frío, un intercambiador en el que produce una reducción previa de la temperatura y un evaporador en el que se disminuye la temperatura del aire hasta su temperatura de rocío, y el exceso de agua condensa. Se requiere un sistema de purga para evacuar los condensados y deben instalarse en lugares bien ventilados. Al trabajar con caudales elevados se hace necesario emplear un método de secado del aire más potente. Este proceso consta de dos fases:

- Intercambiador. El aire comprimido, salvo que proceda de un depósito de gran volumen, viene caliente. En este intercambiador se consigue bajar su temperatura hasta un valor cercano a la temperatura ambiente. Este pre-enfriamiento supone un ahorro energético en el siguiente paso (evaporador). - Evaporador. Se trata de una máquina frigorífica común con un fluido refrigerante. En este equipo se disminuye la temperatura del aire hasta su temperatura de rocío. En esta nueva temperatura, todo el exceso de agua comienza a condensarse. Es necesario que el sistema posea algún sistema de purga para evacuar esta líquido.

Figura 2.8 Esquema de funcionamiento de un secador por condensación frigorífico

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En los secadores por adsorción el efecto de secado se basa en que las moléculas de agua se fijan sobre la superficie de un elemento poroso. Se pueden utilizar diferentes sustancias hidratadas o deshidratadas sólidas, pero las más utilizadas con el dióxido de Silicio (Sílicagel, SiO2), y la Alúmina Al2O3, etc. Este lecho absorbente se satura con el uso, por lo que normalmente están formados por dos depósitos, de manera que mientras uno está en activo, el otro está en regeneración. Este proceso de regeneración es una característica de este tipo de secadores, utilizándose dos columnas de forma alternativa. Este proceso de regeneración consiste en que al someter el lecho poroso a un gas secador o al calentarlos, calentarlos cede nuevamente el agua retenida. EL proceso debe desarrollarse en ausencia absoluta de aceite para que no se produzca la obstrucción de los capilares del elemento poroso, por lo que previamente debe instalarse un filtro desoleador. Desde el punto de vista energético son más costosos, ya que consumen aproximadamente 5 veces más energía que los de condensación. EL lecho poroso debe sustituirse cada 2 años aproximadamente.

Figura 2.9 Esquema de funcionamiento de un secador por adsorción

Tabla 2.9 Propiedades de los adsorbentes

Tª de Rocío Tª máxima aire Calor consumido Tª Regeneración Superficie esp. Coste rel.

Adsorbente ºC ºC MJ/kg agua ºC m2/gr Adsorbente

Sílicagel -50 50 7,1 - 8,4 120-180 500-800 100

(SiO2) Esferoidal -50 50 7,1 - 8,4 120-180 200-300 170Alúmina activada (Al2O3) -60 40 9,6 - 11,3 175-315 230-360 150

Tamices moleculares (Na, Al2, SiO2) -90 140 11 12,5 200-350 750-1100 550

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Figura 2.10 Secador por adsorción

2.6 Filtros, lubricadores y reguladores

2.6.1 Filtros El aire exterior contiene partículas en suspensión (polvo, aceites, hidrocarburos, etc.). En la compresión, al disminuir el volumen del aire, se aumenta la concentración de estas partículas. Una elevada concentración de impurezas conlleva los siguientes problemas:

- Destruye la instalación desde dentro. Miles de partículas sólidas impactando en todo

momento en los conductos pueden llegar a dañarlos seriamente a corto-medio plazo. - Daña cualquier accesorio o elemento de la instalación: Los álabes del compresor, las

máquinas que emplean el aire, etc. - Puede producir sedimentaciones en algunos puntos de la instalación, provocando

taponamientos que se traducen en un aumento de energía y un uso ineficaz de la instalación.

- Aumenta los costes de mantenimiento, obligando a realizar reparaciones con mayor frecuencia de lo habitual.

- Un mal acabado del producto final. El primer lugar de la instalación que puede estar sometido a los daños de las partículas en suspensión es el compresor. Para evitar que esto ocurra ha de estar situado en un lugar con un aire lo más limpio posible. Como esto no es siempre posible, los compresores suelen llevar incorporado en el conducto de admisión un filtro que retiene las partículas de mayor volumen.

El aire comprimido procedente del compresor sigue poseyendo demasiadas partículas en suspensión. El sistema de lubricación del compresor puede añadir más cantidad de aceite a este aire comprimido. Es aquí donde se ha de decidir qué tipo de sistema de filtrado se coloca.

La elección de un sistema de filtrado u otro vendrá determinado por la calidad de aire que se precise. La normativa ISO 8573-1 determina los grados de filtración. Al igual que en los filtros

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para eliminación de agua, existen sistemas de filtrado convencional con cartuchos filtrantes y otros de acción ciclónica.

Cuando se desea obtener una filtración elevada, además de instalar filtros de gran capacidad de filtrado, se han de instalar otros de menor capacidad para retener las partículas más grandes y alargar la vida de los de mayor capacidad. Los filtros, en general, sirven para eliminar las partículas en suspensión, así como aceite residual o pequeñas cantidades de agua. El mayor inconveniente de los filtros es la pérdida de carga que producen. En la elección de un sistema de filtrado u otro han de tenerse en cuenta las siguientes cuestiones:

- Tamaño de partículas en suspensión. Determinados filtros están diseñados para retener partículas de gran tamaño, pero son ineficaces con las de menores dimensiones.

- Cantidad de partículas en suspensión. Un sistema de filtrado determinado puede ser capaz de retener partículas pequeñas, pero la presencia en el aire de partículas grandes en gran cantidad puede obstruirlo en un periodo de tiempo muy breve.

- Caída de presión. Un filtrado muy puro suele ir acompañado de una caída de presión mayor, que se traduce en un aumento del consumo de energía. Ha de escogerse un sistema de filtrado acorde a las necesidades reales.

- Colocación de los filtros. La colocación de filtros en distintas partes de la instalación puede ahorrar costes de montaje y mantenimiento. Si se precisa un aire muy limpio, se recomienda la instalación de un sistema de pre-filtrado que retenga las partículas de mayor tamaño. A continuación, se instalará otro sistema que retenga las de menor tamaño.

Otra posible situación es la de una red en la que todas las máquinas pueden operar con un aire de baja calidad, menos una que precisa un aire mucho más limpio. No es rentable filtrar todo el aire de la instalación hasta ese nivel de pureza porque se requiere un equipo de filtrado grande y se producirían importantes caídas de presión. Puede, en cambio, realizarse un filtrado medio para toda la instalación, e instalar un filtro para partículas pequeñas en la entrada de esa máquina que precisa un aire más limpio.

El aire comprimido debe ser convenientemente filtrado para reducir el desgaste y alargar los periodos de mantenimiento del compresor y del resto de elementos del sistema. El tratamiento consta de las siguientes etapas:

- Primera etapa: Filtrado previo al compresor. Los filtros de entrada se clasifican en función del tamaño de partícula que filtran. Los compresores suelen llevar incorporado en el conducto de admisión un filtro que retiene las partículas de mayor tamaño para minimizar los daños sobre el compresor. El sistema de lubricación del compresor puede también añadir

- Segunda etapa: Secado del aire antes o después del depósito y filtrado posterior al

compresor. Durante la compresión aumenta la concentración de impurezas y se incrementa la cantidad de aceite en el aire comprimido, por lo que se hace necesaria una segunda etapa de filtrado

- Tercera etapa: Filtrado, regulación y lubricación local. En esta fase pueden utilizarse filtros húmedos o secos de mayor o menor eficacia en función de los requerimientos de la aplicación. Se pueden utilizar:

o Filtros para partículas de polvo y aceite o Filtros separadores. Eliminan hasta el 99,9% de partículas mayores de 0,01 mm o Microfiltros de alta eficacia y de carbono activado

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Figura 2.11 Filtros para aire comprimido

Filtros separadores cerámicos Estos filtros están diseñados para eliminar un 70-80% del agua y aceite contenidos en el aire. Se suelen colocar a la salida del refrigerador posterior o después del calderín, ya que aumenta su rendimiento si el aire a limpiar se encuentra a temperaturas bajas. La separación del condensado se realiza en tres etapas: a) Un separador por gravedad elimina las partículas líquidas y sólidas de tamaño mayor que se recogen en el fondo del separador. b) Una malla filtrante se dedica a eliminar las partículas sólidas y líquidas de tamaño intermedio, que también se depositan en el fondo del separador. c) Por último, el aire atraviesa un conjunto de bujías cerámicas, destinadas a suprimir las partículas mayores de 10 micrones. Estas bujías son de duración ilimitada. Su selección se realiza por el caudal de aire que va a tratar y la presión de trabajo.

Separador de aceite (desoleador)

Tienen el objetivo de retener el aceite o vapores de aceite que provienen del compresor. Este aceite quemado, si se pone en contacto con los separadores por adsorción, crean una película sobre él, que impide el paso del aire y el funcionamiento correcto de la instalación. Por otra parte, si se pone en contacto con los aceites especiales de lubricación del aire comprimido para su utilización neumática, hace que éstos pierdan sus propiedades lubricantes. La temperatura del aire de entrada no debe exceder los 40ºC, para su correcto funcionamiento. Su funcionamiento consta de dos fases:

a) Un separador ciclónico, decanta las partículas sólidas y líquidas que contiene el aire comprimido.

b) Mediante un absorbente selectivo retiene el aceite.

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2.6.2 Lubricadores

Los lubricadores son los elementos finales encargados de proporcionar el lubricante al aire comprimido antes de ser utilizado en la herramienta neumática, en caso necesario. Esta lubricación es necesaria para un mejor funcionamiento de todos los elementos móviles en válvulas y actuadores. Generalmente están basados en el “efecto venturi” y es el propio flujo de aire comprimido el que produce la succión necesaria para incorporar a la corriente una determinada cantidad de fluido lubricante en forma de spray.

Figura 2.12 Lubricador

2.6.3 Reguladores Los reguladores son los elementos encargados de regular y ajustar la presión de suministro localmente. Existen diferentes tipos:

- Válvulas de seguridad. Es el sistema más simple y se utiliza en depósitos - Regulador sin descarga (no-relieving). La presión de salida actúa sobre un diafragma

presionado mediante un resorte tarado - Regulador con descarga (relieving). Cuando la presión supera un cierto valor descargan

al exterior. Se produce una caída de presión que depende del flujo - Regulador pilotado. No producen caída de presión

Figura 2.13 Reguladores

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2.6.4 Unidades de mantenimiento Un aire limpio siempre puede ensuciarse parcialmente durante su trayecto por los conductos debido al desgaste interno de las conducciones (por abrasión, oxidación, etc.). Esta unidad de mantenimiento colocada lo más cerca de los puntos de consumo da un último filtrado si fuera necesario. También sirve para añadir algo de aceite y lubricar la herramienta, alargando su vida útil y su eficiencia.

Un regulador de presión controla que la presión a la que está sometida la máquina neumática es correcta, evitando accidentes por una posible sobrepresión.

Figura 2.14 Unidad de mantenimiento Cuestiones y problemas:

1) Enumerar los tipos de fluidos utilizados en sistemas hidráulicos, y las propiedades a tener en cuenta para seleccionar un aceite hidráulico

2) Definir algunas propiedades termodinámicas de interés como: Humedad absoluta y relativa del aire húmedo, temperatura de rocío, temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo, etc.

3) Explicar las necesidades de tratamiento de aire comprimido en instalaciones neumáticas 4) Explicar el principio de funcionamiento de los diferentes tipos de secadores

Referencias bibliográficas: Bibliografía básica Apuntes de la asignatura Roca Ravell, F.: Oleohidráulica básica. Diseño de circuitos. 1ª Ed. Barcelona, Servicio de publicaciones de la Universidad Politécnica de Cataluña, 1997 Neumática e hidráulica. A. Creus Solé. 1ª Edición Ed. Marcombo, 2007 Manual de aire comprimido. Edición 2011. Atlas Copco Bibliografía complementaria Manuales de hidráulica y neumática. FESTO Oleohidráulica. A. Serrano Nicolás. 1ª Ed. McGraw Hill 2002 Prontuarios de Hidráulica y Neumática Industrial. J. Roldán Viloria. 1ª Ed. Paraninfo 2001 Fluid Power with Applications. A. Esposito. 4th Ed. Prentice Hall Int. 1997

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Recursos en red y otros recursos Aula virtual de la asignatura: http://moodle.upct.es: Enlaces a páginas web, presentaciones visuales, otros recursos de utilidad para resolución de ejercicios y problemas Manual de Prácticas de Laboratorio (Aula virtual) Normativa UNE 101149. Simbología (Servicio de documentación) Catálogos comerciales de componentes FESTO, VOLVO, DANFOSS, HIMATRA, etc. Training hidráulico. Volumen 1. Mannesmann Rexroth