Consejo Profesional de Arquitectura e Ingeniería de Misiones

Disertante: Ingeniero Electromecánico Petruszynski, Cesar M. [email protected]

Objetivo: 

Refrescar conceptos de neumática, para selección o diseño sistemas de aire comprimidos industriales.

1° Parte - Conceptos 







El aire y su composición Los diferentes conceptos de presión: atmosférica, relativa, absoluta, rango de presión industrial de neumática. Las diferentes leyes y la ecuación general de los gases ideales. Las propiedades de la mezcla de gases y los conceptos asociados con el aire comprimido, como la humedad.

¿Qué es el aire Atmosférico, de qué esta compuesto? Es un fluido gaseoso, sometido a una presión (presión atmosférica), que contiene gran numero de compuestos gaseosos, como así, vapor de agua y contaminantes varios (humos, polen, polvos y contaminantes gaseosos cerca de fuentes de emisión, etc.)

¿Dónde se encuentra y en que cantidad? Se encuentra en todas partes en forma ilimitada.

Una vez eliminado el vapor de agua como las impurezas, presenta una composición relativamente constante.

Composición aproximada en volumen del Aire Atmosferico Oxigeno 21%

Otros gases + contaminantes 1%

Nitrogeno 78%

3er Jueves de noviembre Día del Aire Puro El Día Mundial del Aire Puro fue instituido en 1977 por la Organización Mundial de la Salud.

¿Qué es la Presión de un gas (o aire)? Es el cociente entre la fuerza normal y la superficie sobre en la que incide.

F

FN Pa  P S

FN

s

P Patm

¿Cuáles son las Unidades de medidas?

Su unidad en SI (Sistema Internacional) es en honor a Blaide Pascal 1623-1662

¿Qué es la presión atmosférica? Es la presión ejercida sobre todos los cuerpos por los gases contenidos alrededor de la Tierra que no se escapan al exterior debido a la fuerza de gravedad terrestre y forma una envoltura delgada a través de este.

Actúa en todos los sentidos y direcciones con la misma intensidad.

¿Qué es la presión atmosférica Estándar o Referencial? La presión Manométrica medida a nivel del mar es de 760mm de Hg, lo que equivale a 1,033kg/cm2 o 1.033hPa

¿La Patm es constante? No. Esta dependerá de la localización, la temperatura ambiental y condiciones climáticas, del momento.

Disminuye proporcionalmente con la altura

¿Cuál es la diferencia entre Presión Absoluta y Presión manométrica? Para tener valores de presión definidos, y no depender de las condiciones climáticas ¿ Que miden los relojitos*#+…?

Presión manométrica o relativa. La presión relativa es la medida de presión sobre la presión atmosférica,. Bar o kg/cm2 o Lb/Pug2 Manómetro

1033 mbar Atmosférica Vacio. Es la presión resultante por debajo de la presión atmosférica, es la presión negativa. Pulgadas de agua o de mercurio

Vacuo metro

¿Qué es el caudal? Es la cantidad de aire comprimido que fluye a través de una sección por unidad de tiempo.

Tipos de flujos

Leyes de los gases La composición química del aire comprimido, hace que lo podamos tratar como un gas ideal.

¿Qué sucede cuando comprimimos un gas ( o aire)? Reducción del volumen del gas

Ecuación general de los gases

Aumento de presión del gas Aumento de la temperatura del gas Aumento en la concentración de los contaminantes.

Al confinar un gas en un recipiente, el choque de las moléculas entre si y con las paredes del recipiente es lo que origina la presión. Al comprimir el gas paulatinamente se aumentará el choque de las partículas, por tener menos área de acción, aumentando por ende la presión. Rigiéndonos por las leyes fundamentales de la termodinámica, ese aumento de presión y choque de partículas, trae consigo un aumento de la temperatura y una reducción del volumen original que ocupa el aire en la atmósfera.

¿Por qué se usa el aire comprimido como fuente de energía? •Se puede tomar la cantidad necesaria para comprimirla y transformarla en energía potencial para hacer un trabajo. •Su acción es más rápida que la hidráulica. •Fácilmente transportable, almacenable y puede liberarse nuevamente a ambiente. •Bajo costo de mantenimiento de las instalaciones. •No es toxico ni explosivo.

Generación de AC

Acumulación AC

El aire atmosférico sufre un proceso de compresión, y se acumula energía de presión. Luego es transformada nuevamente en trabajo mecánico o bien usada para control de procesos de regulación mando o medición. No toda la energía es utilizada gran parte se pierde por calentamiento por rozamiento y reduciendo el rendimiento de la instalación.

¿Por qué se genera agua (condensado) cuando comprimimos aire? 





Por que a cada presión y temperatura, el aire puede contener una cantidad de agua en forma de vapor. Al comprimir grandes cantidades de aire atmosférico, se produce una cantidad considerable de condensados y el aire del depósito se mantiene saturado (100%HR). Este %HR es la proporción de la cantidad máxima de agua que puede contener el aire a una temperatura determinada.

4 metros cúbicos de aire a 20ºC, 1 atm y 50%HR (8,7gr/m3 HA).

Cuando se comprimen estos 4 metros cúbicos en uno solo habrá 4 veces 8,7 gramos, pero solo dos de estas partes pueden mantenerse como vapor en un metro cúbico a 20ºC. Las otras dos partes condensarán en gotas de agua, quedando así el aire con una humedad relativa del 100%, esto es, 17,4 gr/m3 de humedad absoluta

¿Qué es el punto de Rocio? 

Se describe al estado saturado en el cual el aire está cargado con la humedad máxima a cierta temperatura. Al No poder incorporar más vapor de agua este se condensa y precipita.

Cuando el vaso está frío por contener una bebida fría o helada, la temperatura junto a la superficie del vaso disminuye, y con ella su capacidad de contener vapor de agua. El punto de saturación disminuye y el vapor de agua contenido en el aire colindante, la propia humedad, se condensa en pequeñas gotitas sobre la superficie. Se trata de un efecto similar a la formación de rocío en las noches frías de invierno y a la condensación de vapor de agua en la parte interior de los vidrios de las ventanas cuando en el exterior arrecia el frío invernal.

     

2° Parte – Sistemas de Aire Comprimidos Tipos de compresores Depósitos Red de aire comprimido Factores básico para el diseño de un sistema de aire comprimido.

Son un conjuntos de elementos, que condicionan al aire atmosférico, para ser acumulado, transportado a treves una red de cañerías y utilizados en maquinas, herramientas, etc. La maquina compresora es la encargada de comprimir el aire atm. a la presión fijada de red (Kg/cm2). Donde es acumulado en cierto volumen en el deposito, para luego distribuirse por la red, a las bocas de consumo. Los dispositivos de trampa de condensado, y filtros sirven para lograr una calidad de aire optima. Los reguladores de presión llevan a la presión de servicio de cada equipo.

Son maquinas destinadas a elevar la presión de un cierto volumen de aire, admitido en condiciones atmosféricas hasta una determinada presión exigida por los mecanismos que utilizan aire comprimido. La fuerza motriz que utilizan esta maquinas son motores eléctricos o motores a combustión.

 

  

 



Funciones del deposito: Compensar fluctuaciones de la presión en todo el sistema, y lograr un flujo continuo de aire comprimido. Actuar de distanciador de los periodos de regulación. Separar el agua de condensado producida. Ubicación a continuación de la maquina compresora y en lugares de donde la producción o maquina requiera un gran consumo (caudal). El tamaño del deposito es en función del caudal de consumo y la potencia del compresor. Si tenemos grandes impulso de consumo provocaría velocidades de circulación superiores a la Normal en las red de tuberías Válvula de seguridad, capaz de evacuar el 110 % del caudal del compresor.



Tipos de redes:



Red abierta:



Se constituye por una sola línea principal de la cual se desprenden las secundarias y las de servicio. Ventaja: poca inversión inicial , se logran inclinaciones para la evacuación de condensados. Desventaja: es su mantenimiento, al punto de utilización del aire comprimido llega por un solo camino.

Red Cerrada:

En esta configuración la línea principal constituye un anillo. La inversión inicial es mayor que si fuera abierta. Una desventaja es la dirección del flujo de aire cambiará de dirección dependiendo del consumo tal como se muestra en El problema de estos cambios radica en que la mayoría de accesorios de una red (Por ejemplo. Filtros) son diseñados con una entrada y una salida.. Otro defecto dificultad de eliminar los condensados debido a la ausencia de inclinaciones.

Red interconectada: Esta configuración es igual a la cerrada pero con la implementación de by pass entre las líneas principales.





Caudal: es el parámetro que me va a determinar la capacidad del compresor y se lo puede obtener de las siguientes manera: La suma de caudales máximos de trabajo de herramientas, maquinas o procesos industriales.

- Buscar datos en catálogos. - Calculo de velocidad de un cilindro o herramienta determinada. - Calculo de consumo de Carga/diario

 

Aplicando unos coeficiente uso o carga para adecuar el consumo máximo teórico a la realidad de cada industria. Nivel de producción de la fabrica. Producto/Hs Dimensionamiento de la red, accesorios, cañerías de tamaño reducido, agua del condensado, óxidos, etc. Caudales de aire comprimido diarios m3/min 8,00 7,00 6,00

m3/min



5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 hs





    

   

La capacidad es el parámetro básico para la especificación de los compresores, y es la cantidad de aire en la unidad de tiempo que suministra el compresor entre las presiones de trabajo. Las unidades que se maneja generalmente entre los fabricantes de equipos son: En los catálogos de fabricantes se encuentran las siguientes especificaciones. CFM: Pies cúbicos por minutos Ptrabajo  Patmosferico rc  M3/min: Metros cúbicos por minutos Patmosferico L/s: Litros por minutos Esta especificación es utilizada únicamente para referirse al desplazamiento, y deben estar referidas a la presión máx. de servicio y condiciones ambientales que se tomaron la medición.

SCFM: Pies cúbicos por minuto estándar. (Norma América) (Standart Cubic Feet Per Minute). NCFM: Pies cúbicos por minuto normal (Norma Europea) Nm3/ min: Metros cúbicos por minutos normal (Normal Cubic Meter Per Minute). Se dan generalmente en los catálogos para el consumo de aire por las herramientas neumáticas o equipos. Se refieren al aire libre por minutos (aire atmosférico a la presión y

a la temperatura estándar o normal). 

Para hacer cálculos en un sistema de aire comprimido El dato sobre la capacidad del compresor que da el fabricante debe estar también referido el aire libre, con el objeto que exista una correspondencia entre consumo y capacidad.

Aire aspirado por un compresor

*

Vc 

VT ( Pf  Pi ) t *1bar

Vc: Caudal del compresor en m3/min VT: Volumen del Tanque m3 T: periodo de carga entre las dos presiones Pi: Presión inicial del tanque en bar Pf: Presión final del tanque en bar

Perdida por admisión por Temp. Ambiente. Perdidas por Fugas. Perdidas por fricción en anillos y cámara.

La formula no tiene en cuenta las condiciones ambientales de temperatura y humedad del aire, pero da un valor práctico.

Ejemplo: VT: 0,250 m3 (250 Lts) T: 2 min Pi: 8 bar Pf: 11 bar

,25(11  8) Vc   0,375m3 / min 2 *1bar *

Aire efectivo y Comprimido



Presión: La presión del sistema, la vamos a obtener de acuerdo a los siguientes:



La presión mayor optima de trabajo de una herramienta, maquina o proceso industrial.

-Buscar en catálogos. -Calculo de Fuerza de un cilindro determinado. -Presión determinada por un proceso

También, se considera los siguientes puntos:  Caída de presión por extensión de la red, accesorios, cañerías de tamaño reducido, agua del condensado, oxidos, etc.  Fugas en la instalación.  Experiencia del técnico, en el uso de cierta presión en su trabajo.  Ahorro de energía eléctrica. Cada 1 bar de incremento de presión resulta un 6% de mayor consumo de energía.

Presión atmosférica trabajo

Patm:1bar atm Pt:4,5bar

Presión de generación o red

P2:8 bar

Diferencial de presión

Caída de presión en red

P corte: 8 Bar Prearranque: 7 bar

Δp: 0,5 bar

Presión de servicio

Ps: 6.5bar

Presión de

Con este sistema, el compresor tiene dos estados de servicio, funciona a plena carga o está desconectado. El motor de accionamiento del compresor se para, al alcanzar la presión Pmax. y se conecta de nuevo al alcanzar el valor mínimo Pmin.(presión de re arranque)

Sistemas de aire comprimido 

¿Cuál es el rango de presión de trabajo industrial ?

•

Calidad del aire: es poco tenido en cuenta en general, dependerá de la industria y de las

• • •

normas en vigencias para la preparación del aire. Cada Proceso o industria exige un grado de tratamiento a aire comprimido. Se trata de eliminar: Polvos, Partículas extrañas óxidos, etc. - Se miden en tamaños de partículas (µm) o densidad max. (mg/m3) Agua de condensado – se mide en proporción de agua en G/m3 de liquido Aceites – se mide en densidad max. (mg/m3) Gérmenes. Por análisis químicos

•

Consecuencia de tratar el aire comprimido

• • • • •

Reducción rechazo de productos o servicios Reducción de costos de mantenimiento o accionamientos y herramientas neumáticas. Reducción de paradas de emergencia por roturas de accionamiento y de herramientas neumáticas Reducción de en el consumo de energía Evitar corrosión de cañerías

• •

   

Los conceptos de aire comprimido, son esenciales para la selección de equipos industriales. El Caudal de consumo es parámetro que define un equipo de compresión y no la Presión. La Presión de servicio es lo que debemos garantizar en todos los puntos de la red de distribución y utilizar reguladores de presión para cada herramienta de trabajo. Debemos garantizar una calidad de aire para un buen mantenimiento del sistema y nivel de esta dependerá del tipo de industria.



Fabrica de Bolsitas Rebobinado

Extruccion

Impresión Confección Recuperadora

Bolsitas

Caudal máximo N° de Maq. o Herr.

Característica

Consumo unitario NL/min

Consumo unitario Nm3/min

Consumo Total Max. Nm3/min

Tiempo de uso en hs

Trabajo cont. o interm.

Presión de trabajo

4

Extrusora A

1800

1,8

7,2

24

Const

7

2

Extrusora B

1650

1,65

3,3

24

Const

7

5

Recuperadora

1000

1

5

5

Interm.

7

3

Impresora A

1200

1,2

3,6

8

Interm.

7

6

Impresora B

1500

1,5

9

8

Interm.

7

3 4 5 4 12

Impresora C Confeccionadora A Confeccionadora B Confeccionadora C Soplador

950 2500 2100 2230 1500

0,95 2,5 2,1 2,23 1,5

2,85 10 10,5 8,92 18

8 12 12 12 6

Interm. Interm. Interm. Interm. instan.

7 7 7 7 7

Qc max  11,20 m3 / min

Consumo Total Max m3/min a 7 bar

11,20

• Red de aire de la planta

Caudal por cada ramal



N° de Ramales Maq. Secun. o Herr. 5 4 A 2 2 2 4 2 B 2 2 1 3 C1 1 1 3 C2 1 1 3 4 C3 2 1 3 C4 1 1 D

3

Característica

Consumo unitario NL/min

Consumo unitario Nm3/min

Confeccionadora B Confeccionadora C Recuperadora Soplador Purg. Auto. a flot. Extrusora A Extrusora B Recuperadora Soplador Purg. Auto. a flot. Impresora A Soplador Purg. Auto. a flot. Impresora C Soplador Purg. Auto. a flot. Impresora C Confeccionadora A Soplador Purg. Auto. a flot. Impresora C Soplador Purg. Auto. a flot.

2100 2230 1000 1500 36 1800 1650 1000 1500 36 1200 1500 36 950 1500 250 950 2500 1500 36 950 1500 36

2,1 2,23 1 1,5 0,036 1,8 1,65 1 1,5 0,036 1,2 1,5 0,036 0,95 1,5 0,25 0,95 2,5 1,5 0,036 0,95 1,5 0,036

Soplador

1500

1,5

Consumo Total

Q c Ramal1  Consumo Sub. Factor Total carga Max. Nm3/min 10,5 0,6 8,92 0,7 2 0,6 3 0,8 0,072 0,8 7,2 0,7 3,3 0,8 2 0,8 3 0,8 0,036 0,8 3,6 0,8 1,5 1 0,036 1 2,85 0,8 1,5 1 0,25 1 2,85 0,8 10 0,8 3 0,8 0,036 1 2,85 0,8 1,5 1 0,036 1 4,5

0,6

(Q m1 .f cm1  Q m1 .f cm 2  Q m1 .f cm 2 ) rc

Presión de trabajo bar Consumo Total Max. Nm3/min

Tipo de Trabajo

6,3 6,244 1,2 2,4 0,0576 5,04 2,64 1,6 2,4 0,0288 2,88 1,5 0,036 2,28 1,5 0,25 2,28 8 2,4 0,036 2,28 1,5 0,036

Interm. Interm. Interm. Interm. Interm. Const. Const. Interm. Instan. Interm. Interm. Instan. Interm. Interm. Instan. Interm. Interm. Interm. Instan. Interm. Interm. Instan. Interm.

2,7

Instan.

1

7

7,91

Consumo Total m3/min

rc 

Ptrabajo  Patmosferico Patmosferico

2,05

1,48

Q N  55,59N m3 / min Q c  7,03 m3 / min

0,56

0,51 3,16 1,61

0,48 0,34 7,03 55,59

Análisis del consumo en cada proceso 

Caudal comprimido en el día



De 8 a 12 hs y 15 a 20 hs la planta tiene su plena producción.



En función: ramales A, B, C y D.



Su caudal de aire libre: 55,56 Nm3/min.



Su caudal a presión de servicio 7bar: 7,03 m3/min.

Caudales de aire comprimido diarios m3/min



De 12 a 15hs la planta disminuye su producción.

8,00



En función: ramales A, B, y D.

7,00



No se produce en C. Su caudal de aire libre: 30,61 Nm3/min.

6,00

 

Su caudal a presión de servicio 7bar: 3,87 m3/min.

 

De 20 a 8 hs la planta disminuye su producción.



En función: ramales. B, y D



No se produce en A, C.



Su caudal de aire libre: 14,41 Nm3/min.



Su caudal a presión de servicio 7bar: 1,82 m3/min.

m3/min



5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 hs

Cálculos de caída de presión en todos los ramales y el diámetro de tuberías.

Princ. Princ. Sec. Sec. Sec. Sec. Sec. Sec. Sec.

8 8 12 12 12 12 12 12 12

bar ºC % bar

(X: perdida sumada en el recorrido) Pérdiada de carga en el tramo bar

Velocidad sugerida m/seg

6,48 4,05 2,43 1,62 0,65 0,65 1,62 0,65 0,41

Diámetro interior mm

Tipo de cañería

51,28 32,05 19,23 12,82 5,13 5,13 12,82 5,13 3,21

Diám. comercial adoptado pulg

Caudal m3/min

85 42 34 72 16 16 32 16 41

Diámetro aproximado mm

Caudal Nm3/min

Principal Principal C Ramal A Ramal B Ramal C1 Ramal C2 Ramal C3 Ramal C4 Ramal D

7,0 30,0 3 0,21

Longitud de la cañería mts

Tramo

Presión de trabajo Temp. en el interior de la tubería. % de pérdida adm. hasta la boca de consumo: Caída de presión admisible en la boca de consumo

Long. total (c/accesorios)



131,14 4" 105,30 120,3 0,11661 103,67 4" 105,30 107,4 0,04356 65,57 3" 80,80 99,4 0,05880 53,54 2 1/2" 68,80 115,6 0,07211 33,86 1 1/2" 41,80 25,8 0,03564 33,86 1 1/2" 41,80 25,8 0,03564 53,54 2 1/2" 68,80 69,6 0,04342 33,86 1 1/2" 41,80 25,8 0,03564 26,77 1 1/2" 41,80 50,8 0,02928 Pérdida de carga en las bocas de servicio % de pérdida real

Recorrido

1

2

3

4

5

X X

X X

X

X

X

X X X X X 0,196 0,204 0,189 0,175 0,146 2,80% 2,91% 2,70% 2,51% 2,08%

  

    

Calculo de la capacidad del compresor Determinación del consumo especifico de todas las maquinarias de la planta que consuman aire en Nm3/min. (Ver. Tabla 2) Multiplicar dichos consumos por el coeficiente de utilización individual, que es el tiempo del equipo funcionando con relación al tiempo total de un ciclo completo de trabajo o el porcentaje del tiempo de utilización sobre una hora de trabajo. (Ver. Tabla 2) Sumar dichos resultados. (Ver. Tabla 2) Agregar un 10% a un 25% del valor computado en 3), para totalizar las pérdidas por fugas en el sistema. Se aplica un factor de simultaneidad al total de la red que dependerá de la cantidad e maquinas, se toma 0,9. Adicionar un 30% para contemplar las futuras ampliaciones, estos es muy importante, ya que de otra manera las disponibilidades del sistema serian ampliamente superadas. El resultado así obtenido Qn, dependerá del tipo de compresor ya que si este es del TORNILLO se toma como marcha continua, pero si es de PISTON, se elegirá un factor de demanda del 70%, obteniendo la capacidad del compresor dividiendo el valor de Qn antes hallado por el valor 0,7;resultando:

Por lo tanto las capacidades del compresor serán:  Capacidad del compresor a Tornillo 81,3 Nm3/min. Si trabajamos a una presión de servicio 7 bar, elegiríamos un compresor mayor a 10,16 m3/min.  Capacidad del compresor a Pistón 116,1 Nm3/min. Si trabajamos a una presión de servicio 7 bar, elegiríamos un compresor mayor a 14,52 m3/min. Qc 

Qn  1,43 0,7



Alternativa “A” Compresor 1 de tornillo K Modelo CSD 82 SCB – 8 bar

Refrigerado por aire - acoplamiento por correa - con perfil Sigma y Sigma Control Caudal efectivo a sobre presión final del compresor Según ISO 1217: a 7,5bar 8,25 m³/min. Sobre presión máxima de trabajo 8 bar Potencia nominal del motor 45 kw (60 HP) A 7 bar entrega un caudal de 8,83 m³/min.

Compresor 2 de tornillo K Modelo ASK 32 SCB - 8 bar Refrigerado por aire - acoplamiento por correa - con perfil Sigma y Sigma Control Caudal efectivo a sobre presión final del compresor Según ISO 1217: a 7,5bar 3,15 m³/min. Sobre presión máxima de trabajo 8 bar Potencia nominal del motor 18,5 kw (25 HP) A 7 bar entrega un caudal de 3,37 m³/min.

•

Alternativa “B” Compresor de tornillo K Modelo CSD 122 SCB - 8 bar Refrigerado por aire - acoplamiento por correa - con perfil Sigma y Sigma Control Caudal efectivo a sobre presión final del compresor Según ISO 1217: a 7,5bar 12 m³/min. Sobre presión máxima de trabajo 8 bar Potencia nominal del motor 75 kW (100 HP) A 7 bar entrega un caudal de 13,37 m³/min.

Elección del sistema de aire comprimido 

Análisis de la capacidad de compresor en base a la demanda diaria Caudales acumulados con proyeccion de crecimiento

12,00 Compresor 2

8,00 6,00 4,00

Compresor 1

2,00 Compresor 2

0,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 hs

Caudales de aire comprimido diarios m3/min 12,00 10,00

m3/min

m3/min

10,00

Compresor 2

Compreso r2

8,00 6,00 4,00 2,00

Compresor 1 Compresor 2

Compresor2

0,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 hs Actual

con un crecimiento 30%

Elección del sistema de aire comprimido 

Consumo energético de compresores

50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00

18,00 15,00 12,00

Alternativa “A”: 610,81kW-hs por dia Alternativa “B”: 954,62 kW-hs por dia

9,00 6,00 3,00

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

0,00

2

0

kW

Consumo de Energia

hs Alternativa "A"

Alternativa "B"

Caudal

Tarifas: del cuadro tarifario de EMSA, Nº208 vigente 02/2009, para un consumo de usuario adoptado