Pneumatic System Production and Utilization PDF

U.D. 2 PRODUCCIÓN Y UTILIZACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO 1. EL AIRE COMPRIMIDO. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES. 2. SISTEMA NEUMÁTICO BASICO. 2.1 SISTEMA DE PRODUCCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE. 2.2 SISTEMA DE CONSUMO DEL AIRE O UTILIZACIÓN. 3. GENERACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO 4. TIPOS DE COMPRESORES 4.1 VOLUMÉTRIC...

U.D. 2 PRODUCCIÓN Y UTILIZACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO 1. EL AIRE COMPRIMIDO. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES. 2. SISTEMA NEUMÁTICO BASICO. 2.1 SISTEMA DE PRODUCCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE. 2.2 SISTEMA DE CONSUMO DEL AIRE O UTILIZACIÓN. 3. GENERACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO 4. TIPOS DE COMPRESORES 4.1 VOLUMÉTRICOS 4.2 TURBOCOMPRESORES. 5. ELECCIÓN DEL COMPRESOR 6. EJERCICIO CÁCULO DE CAUDAL. SHN (semipresencial) IES Antonio José Cavanilles 1. EL AIRE COMPRIMIDO. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES. El aire atmosférico es un elemento abundante en la naturaleza, limpio, almacenable, de fácil transporte, no inflamable y compresible, lo que le convierte en un fluido ideal para su empleo como elemento básico en los sistemas que aprovechan la energía de presión acumulada por un fluido. El aire puede comprimirse notablemente por medio de una acción mecánica exteriormente hasta alcanzar una presión determinada y al estar en contacto con un órgano de trabajo, como puede ser un cilindro, libera la energía acumulada por la compresión. Supuesto un cilindro de sección A, sobre cuyo émbolo actúa aire comprimido a presión p, la fuerza comunicada al vástago es: F=AxP Si el recorrido del vástago del cilindro es e, el trabajo producido en el desplazamiento vale: T=Fxe La unidad de presión más utilizadas son la unidad técnica o atmósfera (at) equivalente a 1 Kgf/cm2 y la unidad internacional (SI) llamada Pascal (Pa), cuyo valor es 1 N/m2 . En la práctica se emplea con frecuencia el bar, que equivalente a 105 Pa. La relación entre atmósfera y bar se deduce sin dificultades conociendo el valor de cada una; es decir: En la práctica y para las aplicaciones neumáticas: 1bar =1at =1Kgf / cm2 Las presiones ideales de empleo del aire comprimido oscilan entre 4 y 8 bar, siendo el habitual 6 bar. Si se pretende utilizar aire a presión superior a la indicada resulta antieconómico, tanto por los costos de generación como por las reformas a introducir en los elementos de actuación. UD02: Producción y Utilización del aire comprimido Página 2 de 16 SHN (semipresencial) IES Antonio José Cavanilles 2. SISTEMA NEUMÁTICO BÁSICO. El sistema neumático básico se compone de dos partes: ➢ El sistema de producción y distribución del aire. Donde el aire se prepara convenientemente para su uso. ➢ El sistema de consumo de aire o utilización. Que transporta el aire comprimido hasta el punto de consumo. 2.1 SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE AIRE. Las partes, componentes y sus funciones principales son: 1. Compresor: El aire aspirado a presión atmosférica se comprime y se entrega a presión más elevada al sistema neumático. Se transforma así la energía mecánica en energía neumática. 2. Motor eléctrico: Suministra la energía mecánica al compresor. Transforma la energía eléctrica en energía mecánica. 3. Presostato: Se encarga de mantener la presión en el interior del depósito dentro de unos márgenes, conectando y desconectando el dispositivo de compresión del aire según proceda. Se trata de un sistema que actúa entre dos márgenes de presión a las órdenes de un manómetro y de un sistema de control. UD02: Producción y Utilización del aire comprimido Página 3 de 16 SHN (semipresencial) IES Antonio José Cavanilles 4. Válvula antirretorno: Deja pasar aire comprimido sólo del compresor al depósito e impide su retorno. 5. Deposito: funciones: ➢ Almacenar el aire comprimido. Su tamaño está definido por la capacidad del compresor. Cuanto más grande sea su volumen, más largos son los intervalos de funcionamiento del compresor. ➢ Refrigera el aire, debido a la gran superficie de evacuación hace que contribuya al enfriamiento del gas. ➢ Condensa el agua del aire, colocándose en el fondo del mismo, llaves de purgas, que automáticamente o manualmente evacuan la condensación producida en el interior. 6. Manómetros: indica la presión del depósito. 7. Purga automática: purga toda el agua que se condensa en el depósito sin necesitar supervisión. 8. Válvula de seguridad: Expulsa el aire comprimido al exterior si la presión en el depósito sube por encima de la presión permitida. Dicho dispositivo es de vital importancia, pues evita que el depósito pueda romperse por exceso de presión. 9. Secador de aire refrigerado: Enfría el aire comprimido hasta pocos grados por encima del punto de congelación y condensa la mayor parte de la humedad del aire, lo que evita tener agua en el resto del sistema. 10. Filtro de línea: al encontrarse en la tubería principal, este filtro debe tener una caída de presión mínima y la capacidad de eliminar el aceite lubricante en suspensión. Sirve para mantener la línea libre de polvo, agua y aceites. 2.2 UTILIZACIÓN O CONSUMO DE AIRE COMPRIMIDO 1. Purga del aire. Para el consumo, el aire es tomado de la parte superior de la tubería principal para permitir que la condensación ocasional permanezca en la tubería principal; cuando alcanza un punto bajo, una salida de agua desde la parte inferior de la tubería irá a una purga automática, eliminando así el agua condensada. 2. Purga automática. Cada tubo descendiente, debe tener una purga en su extremo inferior. El método más eficaz es una purga automática UD02: Producción y Utilización del aire comprimido Página 4 de 16 SHN (semipresencial) IES Antonio José Cavanilles que impide que el agua se quede en el tubo en el caso en que se descuide la purga manual. 3. Unidad de accionamiento del aire: Acondiciona el aire comprimido para suministran aire limpio a una presión óptima y ocasionalmente añade lubricante para alargar la duración de los componentes del sistema neumático que necesitan lubricación. 4. Válvula direccional. Proporciona presión y pone a escape alternativamente las conexiones del cilindro para controlar la dirección del movimiento. 5. Actuador. Transforma la energía potencial del aire comprimido en trabajo mecánico. Pueden ser lineal, giro o una herramienta neumática. 6. Controladores de velocidad. Permiten una regulación fácil y continua de la velocidad de movimiento del actuador. 3. GENERACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO. El aire comprimido se obtiene por medio de compresores, que son máquinas capaces de elevar la presión de una masa de aire, que aspiran de la atmósfera, hasta el valor conveniente. El aire con el que se trabaja en Neumática debe ser un aire limpio, seco y debe tener una presión determinada. Por lo tanto, el aire deberá ser transformado en diferentes etapas. Los compresores son, en realidad, generadores de caudal, ya que para lograr aumentos de presión es necesaria una relación determinada entre el caudal de entrada y el de salida. A la cantidad de aire comprimido que fluye o circula a través de una sección por unidad de tiempo, se le denomina caudal (Q): 𝑄= 𝑉 𝑆×𝑙 = =𝑆𝑥𝑣 𝑡 𝑡 donde: • V representa el volumen de fluido que atraviesa la sección de la tubería en m3 o litros. • S representa la sección de la tubería en m2. • 𝑙 representa la longitud de la tubería en metros. • t representa el tiempo en segundos o minutos. • 𝑣 representa la velocidad de movimiento del fluido. UD02: Producción y Utilización del aire comprimido Página 5 de 16 SHN (semipresencial) IES Antonio José Cavanilles Puesto que el caudal es el cociente entre unidades de volumen y de tiempo, se puede medir en m3/h, m3/min, l/min o l/s. Los compresores no son verdaderos productores de energía, sino transmisores de la energía, ya que convierten la energía mecánica de su árbol motor en energía de presión. UD02: Producción y Utilización del aire comprimido Página 6 de 16 SHN (semipresencial) IES Antonio José Cavanilles 4. TIPOS DE COMPRESORES Los compresores que se fabrican hoy día se dividen en dos grandes grupos, atendiendo a su principio de funcionamiento: de desplazamiento positivo y de flujo continuo o aerodinámicos. En el momento de seleccionar un compresor se han de considerar una serie de factores que dependen en gran medida de la instalación a la que ha de servir. Los factores fundamentales de la instalación a considerar son el caudal del aire y la presión requerida. En el cuadro siguiente se presentan los valores límites superiores para cada tipo de compresor: ) Para un buen rendimiento del compresor, el aire debe preferentemente del exterior y debe estar limpio y frío, ya que aspirarse cada 4ºC de aumento de temperatura en el aire aspirado, aumenta el consumo de energía un 1% para el mismo caudal. cada 3ºC de disminución en la temperatura del aire aspirado, dan lugar a un 1% más de aire comprimido, para el mismo consumo de energía. UD02: Producción y Utilización del aire comprimido Página 7 de 16 SHN (semipresencial) IES Antonio José Cavanilles 4.1 COMPRESORES POR DESPLAZAMIENTO POSITIVO (VOLUMÉTRICO): Se obtiene por la admisión del aire en un recinto hermético, donde se le reduce de volumen. Estos compresores disponen de un elemento denominado desplazador, que atrapa el gas mediante la creación de una succión, reduce su volumen, y lo desplaza hacia la salida donde existe una presión superior. Los compresores volumétricos se dividen a su vez en alternativos y rotativos (según el movimiento que posee su órgano desplazador). Los compresores alternativos son los más utilizados en la industria por sus notables ventajas y características, que los convierten en los más económicos. Constan de un cilindro donde se desplaza alternativamente un émbolo arrastrado desde el exterior por un vástago, o simplemente por una biela; cuando éste comienza a salir del cilindro se crea una succión que permite la entrada del aire desde el exterior a través de una válvula, llenándola. • Compresor de émbolo de una etapa o Compresor de pistón. Son los más difundidos. Se construyen de baja, media y alta presión, aunque en este caso deben disponer de varias etapas compresoras. El aire es aspirado por el pistón en su carrera descendente penetra en la cámara de compresión a través de la válvula de admisión y después es inmediatamente comprimido hasta la presión de trabajo, momento en el que se abre la válvula de escape. Durante el trabajo de compresión genera calor que debemos enfriar para su buen funcionamiento. UD02: Producción y Utilización del aire comprimido Página 8 de 16 SHN (semipresencial) IES Antonio José Cavanilles Los compresores de pistón de una etapa son rentables solo para presiones de 8 a 10 bar, con pequeños caudales, debido a que a presiones mayores las pérdidas de calor son muy importantes. Para caudales mayores, sólo hasta 4 bar. Compresor de una etapa Compresor de dos etapas En los compresores pequeños bastan las aletas que lleva el cilindro por la parte exterior. En los mayores se instala además un ventilador y en los de alta presión es necesario refrigerar con agua. • Compresor de émbolo de dos etapas y montado en V. El aire comprimido en el primer pistón, después de refrigerado, se introduce en un segundo cilindro de volumen inferior que lo vuelve a comprimir. Así se obtienen presiones de 1 a 20 bar y con tres etapas se puede llegar hasta 220 bar. • Compresor de diafragma. Suministran aire comprimido seco hasta 5 bares y totalmente libre de aceite, por lo tanto, se utilizan ampliamente en la industria alimenticia, farmacéutica y similares. El diafragma proporciona un cambio en el volumen de la cámara, lo que permite la entrada del aire en la carrera hacia abajo y la compresión en la carrera hacia arriba. UD02: Producción y Utilización del aire comprimido Página 9 de 16 SHN (semipresencial) • • IES Antonio José Cavanilles Compresor rotativo de paletas deslizantes. Este compresor tiene un motor excéntrico provisto de paletas que giran en el interior de un cárter cilíndrico, con un orificio de entrada y otro de salida. Al girar el rotor, las paletas, que actúan por la fuerza centrífuga, forman células de volumen variable que encierran aire cada vez más comprimido hasta que lo impulsan al conducto de salida. Es un compresor muy silencioso y dimensiones reducidas su capacidad de compresión no excede de 8 bar. Compresor de tornillo. Dos tornillos helicoidales engranan girando en sentidos contrarios. El espacio libre entre ellos disminuye axialmente en volumen, lo que comprime el aire atrapado entre los rotores y los impulsa hacia el orificio de salida. Es un compresor muy silencioso y de pequeño tamaño. Se alcanzan presiones desde 7 a 8,3 kg/cm2 con un caudal que oscila desde 290 a 1400 m3/h. UD02: Producción y Utilización del aire comprimido Página 10 de 16 SHN (semipresencial) • IES Antonio José Cavanilles Compresor Roots. En estos compresores, el aire es llevado de un lado a otro sin que el volumen sea modificado. En el lado de impulsión, la estanqueidad se asegura mediante los bordes de los émbolos rotativos. 4.2 COMPRESORES DE FLUJO CONTÍNUO O DINÁMICOS (también llamados TURBOCOMPRESOR): Obedecen a los principios de la mecánica de fluidos. Están diseñados para ofrecer una mayor capacidad, gracias a que el flujo a través del compresor es continuo. El aire, aspirado por el propio sistema, aumenta su velocidad de circulación a través de varias cámaras, impulsado por paletas giratorias. Se utilizan en aplicaciones de la industria química y petroquímica, plantas de generación de energía, motores a reacción, manejo de gases industriales, plantas de fabricación de acero o vidrio, y en general, en cualquier aplicación donde se necesite grandes volúmenes. • Axiales. Estos compresores se caracterizan porque el flujo sigue la dirección de su eje. Es un compresor rotativo basado en una superficie aerodinámica en el que el gas o aire fluyen paralelos al eje de rotación. Posee un conjunto de cuchillas giratorias y un conjunto de cuchillas estacionarias. La compresión se genera en varias etapas. UD02: Producción y Utilización del aire comprimido Página 11 de 16 SHN (semipresencial) IES Antonio José Cavanilles El aire pasa a través de los álabes y se transforma en alta velocidad, pasando luego en su última etapa por un difusor, y transformando a esta energía de movimiento del aire en presión. Son de uso frecuente donde se necesitan grandes caudales. • Radial. El aire entra directamente por la campana de aspiración hacia la zona central del rotor. El rotor, girando a gran velocidad, lanza el aire sobre un difusor donde la energía cinética imprimida a las moléculas del aire se transforma en presión estática. UD02: Producción y Utilización del aire comprimido Página 12 de 16 SHN (semipresencial) IES Antonio José Cavanilles La refrigeración de los compresores es muy importante para su rendimiento y se realiza impulsando aire frío sobre las tuberías que transportan el aire comprimido o haciendo pasar las tuberías por un depósito donde se hace circular agua fría. Esta refrigeración se realiza después de cada etapa de compresión, mediante refrigeradores intermedios o posteriores. UD02: Producción y Utilización del aire comprimido Página 13 de 16 SHN (semipresencial) IES Antonio José Cavanilles 5. ELECCIÓN DEL COMPRESOR Generalmente conviene elegir un compresor de mayor tamaño al que resulte de los cálculos, previendo mayores consumos futuros. Para la elección del compresor se debe tener en cuenta lo siguiente: 5.1 EL CAUDAL. Por caudal se entiende la cantidad de aire que suministra el compresor. Teniendo en cuenta, que existen dos conceptos diferentes: • El caudal teórico, que es el indicado por los cálculos realizados por el fabricante. • El caudal efectivo o real, que depende de la construcción y de la presión. 5.2. LA PRESIÓN. En la presión, también debemos de tener en cuenta dos conceptos: • La presión de servicio que es la suministrada por el compresor o acumulador y existe en las tuberías que alimentan a los consumidores. • La presión de trabajo, que es la necesaria en el puesto de trabajo considerado. Para garantizar un funcionamiento fiable y preciso es necesario que la presión tenga un valor constante. La presión que necesita la instalación debe ser superior ( a veces en 2 ó 3 bar) a la de servicio, ya que de otra forma no se podrá mantener dicha presión. 5.3 EL ACCIONAMIENTO. Los compresores se accionan, según las exigencias, por medio de un motor eléctrico o de explosión interna. En la industria, los compresores se arrastran por medio de un motor eléctrico. El motor arrancará cuando la presión sea menor que la de trabajo y se parará cuando la presión del aire sea la correcta. Dado que toda la planta se alimenta del aire que produce el compresor, cada vez que se ponga en marcha una máquina debería arrancar el motor del compresor. Para evitar que el compresor tenga que estar trabajando de forma continua se almacena el aire que genera en un acumulador, una vez que el aire almacenado se para, volverá a ponerse en funcionamiento cuando se haya consumido parte del aire almacenado. UD02: Producción y Utilización del aire comprimido Página 14 de 16 SHN (semipresencial) IES Antonio José Cavanilles Si se trata de un compresor móvil, éste en la mayoría de los casos se acciona por medio de un motor de combustión (Gasolina o Diesel). La conexión del motor y el compresor se confía normalmente a una transmisión de correas trapeciales. 6. EJERCICIO SOLUCIONADO DE CÁLCULO DE CAUDAL Calcula en caudal (m3/min y l/min ) de aire que circula por un tramo de tubería de 10 m de longitud, 2 cm de diámetro exterior y 2 mm de espesor (e), durante un minuto. Calcula también la velocidad a la que circula el fluido. Solución: La superficie S, a través de la cual circula el aire comprimido será: Dint = Dext – 2 x e = 2 cm – (2 x 2mm x 1 cm/10 mm) = 2 cm – 0,4 cm = 1,6 cm Ya que la superficie de una circunferencia es la multiplicación del número π por el radio al cuadrado, siendo el radio (r) la mitad del diámetro. Tendremos que: S=πx( 𝐷𝑖𝑛𝑡 2 𝜋×𝐷𝑖𝑛𝑡 2 2 ) = 4 = 𝜋×1.62 4 cm2 = 2,0106 cm2 x 1m2 / 104 cm2 = = 2 10 -4 m2 = 0,0002 m2 UD02: Producción y Utilización del aire comprimido Página 15 de 16 SHN (semipresencial) IES Antonio José Cavanilles Por su parte, el volumen de aire a lo largo de la tubería será: V = S x l = 2 10 -4 x 10 m = 2 10-3 m3 = 0,002 m3 Por lo tanto, el caudal de aire y su velocidad serán: Q= 𝑉 𝑡 = 0,002𝑚3 1𝑚𝑖𝑛 = 0,002 m3/min 0,002 m3/min x 1 l /1 dm3 x 103 dm3 / 1 m3 = 2 l/min 𝑄= 𝑉 𝑡 = 𝑆×𝑙 𝑡 =𝑆𝑥𝑣 ; 𝒗= 𝑄 𝑆 = 0,002𝑚3⁄𝑚𝑖𝑛 0,0002𝑚2 = 10 m/min 10 m/min x 1min/60s = 0,167 m/s UD02: Producción y Utilización del aire comprimido Página 16 de 16