UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALAFACULTAD DE INGENIERIAESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICACURSO DE VACACIONESINSTALACIONES MECÁNICASING. ROBERTO GUZMAN

COMPRESORES Y SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE AIRE COMPRIMIDO

INTEGRANTE CARNET

Miguel Ángel Nowel Reyes 9616319Guillermo Nájera 200615101

Raúl José Barrios Bolaños 200815323Ottoniel Alexander Palomo 200815345Luis Alberto Cotto Chajón 200915061

Elmer Orlando Mux 200915281Diego Rafael Chacón 200915661

GUATEMALA, JULIO DE 2013

COMPRESORES

Como consecuencia de la automatización y racionalización, la fuerza de trabajo manual ha sido reemplazada por otras formas de energía; una de éstas es muchas veces el aire comprimido.

El aire comprimido es una fuente cara de energía, pero, sin duda, ofrece indudables ventajas. La superficie de la tierra está rodeada de una envoltura aérea. Ésta es una mezcla indispensable para la vida y esto significa que la cantidad de aire es relativamente infinita y no representa ningún costo la utilización del mismo.

No existe una única forma de comprimir el aire y para ello se indican los tipos y las clasificaciones de los compresores a continuación

TIPOS Y CLASIFICACION

Se utilizan cuatro métodos para comprimir un gas. Dos son de flujo intermitente y los otros dos son de flujo continuo. Estos métodos consisten en:

Flujo Intermitente (Desplazamiento Positivo)Su funcionamiento es de atrapar cantidades consecutivas de gas en una cámara, reducir el volumen (incrementando la presión) y empujar luego el gas comprimido fuera de la cámara, es decir que son equipos en los cuales volúmenes sucesivos de gas son confinados dentro de un espacio cerrado y elevados a una mayor presión.Dentro de los compresores de Flujo Positivo podemos nombrar los siguientes:

Compresores Reciprocantes: son máquinas en las cuales el elemento que comprime y desplaza el gas es un pistón que efectúa un movimiento reciprocante dentro de un cilindro.

Compresores rotativos de desplazamiento positivo: Son máquinas en las cuales la compresión y el desplazamiento son efectuados por la acción de desplazamiento de elementos que están en rotación.

Flujo ContinuoDentro del conjunto de compresores de Flujo Continuo podemos mencionar los siguientes:

Compresores Dinámicos: son máquinas rotativas en las cuales un impulsor en rápida rotación acelera el gas que pasa a través de este; la cabeza de velocidad es convertida en presión.

Eyectores: Son equipos que se valen de un chorro de gas o vapor a alta velocidad para arrastrar hacia su interior al gas que se quiere comprimir; un difusor es localizado corriente abajo que convierte la velocidad, de la mezcla, en presión.

En la siguiente imagen se hace un diagrama en el cual se representa los tipos y las clasificaciones de los compresores

PRINCIPIOS DE OPERACIÓN

Un compresor básico consta de una etapa de compresión (en muchos casos se hace necesario utilizar dos o más etapas de compresión). Normalmente el gas es enfriado entre etapas para reducir su temperatura y volumen antes de entrar a la siguiente etapa; el enfriamiento aumenta también la eficiencia del proceso de compresión.

A continuación se introducen los principios de operación de los principales tipos de compresores.

Compresor Reciprocante:Un compresor reciprocante está compuesto básicamente por un cilindro

dentro del cual el gas es comprimido por un pistón que efectúa un movimiento reciprocante en dirección axial. El aumento de presión se consigue mediante una reducción de volumen.La admisión y la descarga del gas se hacen a través de válvulas automáticas. Las válvulas de admisión se abren cuando la presión en el cilindro es ligeramente menor que la presión de admisión. Las válvulas de descarga se abren cuando la presión del cilindro es ligeramente menor que la presión de admisión. Las válvulas de descarga se abren cuando la presión en el cilindro está un poco por encima de la presión de descarga.

Compresor de Paletas Deslizantes:Muy popular en el pasado, tenía como elementos básicos una carcasa

cilíndrica y un rotor. Presenta un diagrama pV idéntico al del compresor reciprocante. No tiene válvulas. Los elementos del ciclo en los cuales se efectúan la admisión y la descarga están determinados por la localización de las aberturas por donde pasan las paletas.

Compresor de Pistón Líquido:Utiliza un rotor con paletas curvadas hacia adelante alrededor de un

cuerpo central que tiene aberturas de admisión y descarga. Las paletas actúan sobre un anillo de líquido atrapado en el interior de una carcasa elíptica. Los elementos son la carcasa, las tapas y el ensamble del motor.

Compresor de Tornillo Rotativo:Unidad rotativa de desplazamiento positivo con dos rotores helicoidales

que comprimen el gas en las cámaras que se forman entre las caras de los lóbulos helicoidales encajados y la carcasa. El elemento básico es la carcasa con su ensamble de rotores. Los lóbulos en los rotores no son idénticos. Estas unidades tienen compresión interna. La relación de compresión está determinada por la localización de los bordes de las entrantes, la abertura de descarga y el ángulo de enrollamiento de los lóbulos. No hay válvulas.

Compresor de Lóbulo Recto:Consta de una carcasa que contiene dos rotores simétricos idénticos que

tienen una sección transversal en forma de ocho. Estos se mantienen encajados en fase mediante piñones exteriores acoplados y rotan en sentidos opuestos.No hay compresión o reducción de volumen del gas durante el giro de los rotores; estos últimos simplemente mueven el gas desde la admisión hasta la descarga. La compresión tiene lugar cuando los lóbulos entregan el gas al sistema de descarga o tanque receptor; el aumento de presión no se debe a la reducción de volumen para cantidad fija de gas, sino al aumento en el número de moléculas de gas presente en el volumen fijo. Este proceso tiene el nombre de contraflujo.

CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA LOS COMPRESORES

La elección del compresor se realiza sobre la base del caudal a suministrar y la presión de trabajo. Normalmente se engloban por tamaños en diferentes categorías, pudiendo ser pequeños, medianos o grandes según el caudal.

El rango de tamaños de los compresores empleados en neumática comprende desde compresores de caudal inferior a 1 l/s, con o sin equipo de tratamiento, hasta instalaciones múltiples en las cuales los compresores generan caudales de varias centenas de m3/h. Los tamaños de los compresores se engloban en las siguientes categorías:

Pequeños Caudales: caudales de hasta 40 litros por segundo y potencia de entrada de entre 15 y 100 kW.

Medianos Caudales: caudales de entre 40 y 300 litros por segundo y potencia de entrada de entre 15 y 100 kW.

Grandes Caudales: cualquiera por encima del límite anterior.

El mejor compresor se elige fundamentalmente a partir del caudal que deba suministrar y la presión de trabajo.Otros condicionantes son el rendimiento energético, el ruido de la instalación, los requisitos de mantenimiento, reposición y el coste total, pero sobre todo se elige el tipo de compresor debido al tipo de trabajo a realizar y la calidad del aire deseada; por ejemplo, para la industria alimenticia se requiere que el aire se encuentre libre de cualquier residuo no deseado que pueda dañar el producto final, entre ellos aceite lubricante, gases no deseados, humedad, etc.

La presión que proporcione el compresor debe cumplir, a totalidad, con los requisitos de presión en la aplicación.

La primera es denominada presión de servicio, que responde a las características técnicas del compresor y está garantizada por el fabricante. La segunda, la presión de trabajo, es la presión entre el aire comprimido necesaria en el lugar de utilización que por lo general se encuentra entre 3 y 8 bares.No conviene que la presión de servicio sea mucho mayor que la presión de trabajo debido al esfuerzo innecesario al que se encontrará sometido el equipo si al final no se aprovechará toda esa energía en el lugar de trabajo.

TANQUE DE COMPRESIÓN

La mayoría de las instalaciones y el tipo de regulación, la variable que ha de controlar el sistema de regulación es la presión en el depósito. El depósito de aire comprimido, también conocido como “tanque de compresión” está situado junto al lado del compresor de aire, el cuál almacena aire para su posterior uso de modo tal que se alargue la vida del equipo de compresión

El depósito o tanque compuesto por:o Manómetroo Válvulas de seguridado Válvulas para purga de agua condensada.

El tanque que es un depósito destinado a almacenar aire comprimido situado a la salida del compresor. Su finalidad es regular la salida de aire comprimido, condensar el agua y regular el rendimiento compensando las variaciones en la toma del aire. Generalmente se estima su volumen en la producción del compresor en metros cúbicos por minutos

CIMENTACIÓN Y MONTAJE DE LA UNIDAD DE COMPRESIÓN

La instalación del compresor se realiza en una sala, denominada de compresores, dónde también se alojan otros componentes destinados al tratamiento y acondicionamiento del aire comprimido antes de su distribución.

Los principales componentes que se observan en una instalación típica de un compresor de tamaño medio son los siguientes:

La unidad compresora integrada, que incluye:o Filtro de aire en la entrada de suministro.o Compresor con un motor eléctrico (o combustible fósil)o Refrigerador de aire.o Separador posterior.

El depósito o tanque compuesto por:o Manómetroo Válvulas de seguridado Válvulas para purga de agua condensada.

LUBRICACIÓN Y ENFRIAMIENTO

La lubricación desempeña un papel muy importante en un sistema neumático debido a que reduce la fricción y el desgaste de las válvulas; empaques cilindros y demás elementos de trabajo; prolongando así su eficiencia y su vida útil. El lubricador y el lubricante deben ajustarse a las necesidades y requerimientos de la maquinaria neumática, debido a que un exceso de aceite y hasta el atascamiento de válvulas y elementos de pequeña holgura. Y por el contrario si fuera insuficiente, provocaría un desgaste prematuro y una baja eficiencia en el funcionamiento del equipo neumático.

La forma de ajuste es más frecuente en los lubricadores es por medio de un tornillo de cabeza estirada o por medio de una válvula de aguja. La mayoría de lubricadores poseen visores por los cuales se pueden observar y medir el goteo del lubricante, que ingresa al sistema; también poseen una taza de plástico transparente, la cual permite precisar la cantidad de aceite que el lubricador contiene, evitando así, que disminuya por debajo del nivel mínimo de funcionamiento.

El funcionamiento del lubricador se basa en la igualdad de presiones entre el depósito del lubricador y la línea de aire comprimido, esto se logra por medio de un orificio que posee un tubo en forma de Venturi. Esta presión eleva el aceite por un tubo de aspiración hasta una cámara colocada por encima del punto de goteo. A medida que el aceite va cayendo en el tubo de Venturi y

entra a la corriente de aire, se pulveriza y forma una neblina de aceite que lubrica las piezas de los elementos neumáticos.

Los lubricantes más utilizados son derivados del petróleo aunque últimamente se está incrementando el uso de lubricantes sintéticos.

Antes de utilizar un lubricante debe tenerse en cuenta las especificaciones del fabricante de la maquinaria neumática, en cuanto a su viscosidad, cantidad y naturaleza; debido a que no todo el equipo neumático posee una igualdad en sus características internas de funcionamiento.

CONDENSACIÓN DEL AGUA, SECADO DEL AIRE COMPRIMIDO Y POST ENFRIADORES

CONDENSACIÓN DEL AGUA

La variación de la temperatura entre el aire exterior y el aire del interior de las redes de aire crea una caída en la temperatura del aire en la red y provoca la condensación del vapor de agua presente en el sistema.El condensado se acumula dentro de las tuberías y circula a través del sistema.

El condensado afecta negativamente a las aplicaciones neumáticas, por tanto, debe garantizarse que no alcance la estación de trabajo si quiere evitar averías.El método tradicional es instalar una curva

El agua condensada permanece así en el sistema principal y la estación de trabajo no se ve afectada por aire de escasa calidad.Es esencial dotar las redes de aire comprimido de tomas que incorporen un cuello de cisne, incluso cuando se utilice un secador.

SECADO DE AIRE COMPRIMIDO

Los secadores de aire comprimido únicamente eliminan una proporción del agua presente en el aire comprimido, puesto que la condensación sigue produciéndose debido a las variaciones en los niveles de temperatura.Además, dichas bajantes con cuello de cisne aumentan la seguridad y la protección de los equipos y las herramientas neumáticas en caso de que el secador se averíe o funcione mal.

UNIDAD FRL –FILTRO, REGULADOR DE PRESIÓN, LUBRICADOR-

La suciedad del aire comprimido (óxidos, polvo, demás), las partículas líquidas contenidas en el aire, causan un gran deterioro en las instalaciones neumáticas y en todos sus componentes, provocando desgastes exagerados y prematuros en superficies deslizantes, ejes, vástagos, juntas, etc., reduciendo la duración de los distintos elementos de la instalación.

Las conexiones y desconexiones del compresor o compresores, generan oscilaciones en la presión, que impiden un funcionamiento estable de la instalación, de los actuadores, etc.

Para evitar este tipo de problemas, se recomienda emplear las unidades de mantenimiento neumático. Las cuales son una combinación de los elementos que se describen a continuación: 

• Filtro de aire comprimido• Regulador de presión • Lubricador de aire comprimido 

Pero para esto se debe tener en cuenta los siguientes puntos: 

• El caudal total de aire en m3/h es decisivo para la elección del tamaño de unidad. Si el caudal es demasiado grande, se produce en las unidades una caída de presión demasiado grande. Por eso, es imprescindible respetar los valores indicados por el fabricante. • La presión de trabajo no debe sobrepasar el valor estipulado en la unidad. • La temperatura no deberá ser tampoco superior a 50 ºC (valores máximos para recipiente de plástico). 

Simbología de la unidad de mantenimiento 

DESCRIPCION DE CADA COMPONENTE

FILTRO 

El filtro tiene la misión de extraer del aire comprimido circulante todas las impurezas y el agua condensada. En los procesos de automatización neumática se tiende cada vez a miniaturizar los elementos (problemas de espacio), fabricarlos con materiales y procedimientos con los que se pretende el empleo cada vez menor de los lubricadores. Consecuencia de esto es que cada vez tenga más importancia el conseguir un mayor grado de pureza en el aire comprimido, para lo cual se crea la necesidad de realizar un filtraje que garantice su utilización. 

El filtro tiene por misión: • Detener las partículas sólidas. • Eliminar el agua condensada en el aire. 

Imagen 5. Filtro de aire.

Los filtros se fabrican en diferentes modelos y deben tener drenajes accionados manualmente, semiautomática o automáticamente. 

Los depósitos deben construirse de material irrompible y transparente. Generalmente pueden limpiarse con cualquier detergente. 

Generalmente trabajan siguiendo el siguiente proceso: El aire entra en el depósito a través de un deflector direccional, que le obliga a fluir en forma de remolino. Consecuentemente, la fuerza centrífuga creada arroja las partículas líquidas contra la pared del vaso y éstas se deslizan hacia la parte inferior del mismo, depositándose en la zona de calma. 

La pantalla separadora evita que con las turbulencias del aire retornen las condensaciones. El aire continúa su trayecto hacia la línea pasando a través del elemento filtrante que retiene las impurezas sólidas. Al abrir el grifo son expulsadas al exterior las partículas líquidas y sólidas en suspensión. 

El agua no debe pasar del nivel marcado que normalmente traen los elementos, puesto que en la zona turbulenta el agua sería de nuevo arrastrada por el aire. 

REGULADOR 

El regulador tiene la misión de mantener la presión de trabajo (secundaria) lo más constante posible, independientemente de las variaciones que sufra la presión de red (primaria) y del consumo de aire. La presión primaria siempre ha de ser mayor que la secundaria. 

REGULADOR DE PRESIÓN CON ORIFICIO DE ESCAPE

La presión es regulada por (Fig. 4) la membrana (1), que es sometida, por un lado, a la presión de trabajo, y por el otro a la fuerza de un resorte (2), ajustable por medio de un tornillo (3). 

A medida que la presión de trabajo aumenta, la membrana actúa contra la fuerza del muelle. La sección de paso en el asiento de válvula (4) disminuye hasta que la válvula cierra el paso por completo. En otros términos, la presión es regulada por el caudal que circula. 

Al tomar aire, la presión de trabajo disminuye y el muelle abre la válvula. La regulación de la presión de salida ajustada consiste, pues, en la apertura y cierre constantes de la válvula. Al objeto de evitar oscilaciones, encima del platillo de válvula (6) hay dispuesto un amortiguador neumático o de muelle (5). La presión de trabajo se visualiza en un manómetro. Cuando la presión secundaria aumenta demasiado, la membrana es empujada contra el muelle. Entonces se abre el orificio de escape en la parte central de la membrana y el aire puede salir a la atmósfera por los orificios de escape existentes en la caja. 

Figura 4

REGULADOR DE PRESIÓN SIN ORIFICIO DE ESCAPE

Con estas válvulas no es posible evacuar el aire comprimido que se encuentra en las tuberías. 

En la figura (Fig. 5) se muestra que por medio del tornillo de ajuste (2) se pretensa el muelle (8) solidario a la membrana (3). Según el ajuste del muelle (8), se abre más o menos el paso del lado primario al secundario. El vástago (6) con la membrana (5) se separa más o menos del asiento de junta. 

Si no se toma aire comprimido del lado secundario, la presión aumenta y empuja la membrana (3) venciendo la fuerza del muelle (8). El muelle (7) empuja el vástago hacia abajo, y en el asiento se cierra el paso de aire. Sólo después de haber tomado aire del lado secundario, puede afluir de nuevo aire comprimido del lado primario. 

Figura 5

LUBRICADOR 

El lubricador tiene la misión de lubricar los elementos neumáticos en medida suficiente. El lubricante previene un desgaste prematuro de las piezas móviles, reduce el rozamiento y protege los elementos contra la corrosión. 

Son aparatos que regulan y controlan la mezcla de aire-aceite. Los aceites que se emplean deben: 

• Muy fluidos • Contener aditivos antioxidantes • Contener aditivos antiespumantes• No perjudicar los materiales de las juntas • Tener una viscosidad poco variable trabajando entre 20 y 50° C • No pueden emplearse aceites vegetales (Forman espuma) 

Los lubricadores trabajan generalmente según el principio "Venturi". La diferencia de presión (caída de presión) entre la presión reinante antes de la tobera y la presión en el lugar más estrecho de ésta se emplea para aspirar líquido (aceite) de un depósito y mezclarlo con el aire.

El lubricador no trabaja hasta que la velocidad del flujo es suficientemente grande. Si se consume poco aire, la velocidad de flujo en la tobera no alcanza para producir una depresión suficiente y aspirar el aceite del depósito. Por eso, hay que observar los valores de flujo que indique el fabricante. 

SISTEMAS DE TUBERÍA

TIPOS DE TUBERÍA Y SUS ACCESORIOS

En general una red de aire comprimido de cualquier industria cuenta con los siguientes 7 dispositivos mostrados en la siguiente figura.

Sus componentes son:

1. Filtro del compresor: Este dispositivo es utilizado para eliminar las impurezas del aire antes de la compresión con el fin de proteger al compresor y evitar el ingreso de contaminantes al sistema.

2. Compresor: Es el encargado de convertir la energía mecánica, en energía neumática comprimiendo el aire. La conexión del compresor a la red debe ser flexible para evitar la transmisión de vibraciones debidas al funcionamiento del mismo.

3. Postenfriador: Es el encargado de eliminar gran parte del agua que se encuentra naturalmente dentro del aire en forma de humedad.

4. Tanque de almacenamiento: Almacena energía neumática y permite el asentamiento de partículas y humedad.

5. Filtros de línea: Se encargan de purificar el aire hasta una calidad adecuada para el promedio de aplicaciones conectadas a la red.

6. Secadores: Se utilizan para aplicaciones que requieren un aire supremamente seco.

7. Aplicaciones con sus purgas, unidades de mantenimiento (Filtro, reguladores de presión y lubricador) y secadores adicionales.

Los elementos 1, 2, 3, 4 y 5 se ubican en la tubería principal. Su presencia es obligatoria en todas las redes de aire comprimido. El 6 puede ubicarse en las tuberías secundarias y el 7 se instala en la tubería de servicio que alimenta las diferentes aplicaciones.

TUBERÍA PRINCIPAL

Es la línea que sale del conjunto de compresores y conduce todo el aire que consume la planta. Debe tener la mayor sección posible para evitar pérdidas de presión y prever futuras ampliaciones de la red con su consecuente aumento de caudal. La velocidad máxima del aire en la tubería principal es de 8 m/s

TUBERÌA SECUNDARIA

Se derivan de la tubería principal para conectarse con las tuberías de servicio. El caudal que por allí circula es el asociado a los elementos alimentados exclusivamente por esta tubería. También en su diseño se debe prever posibles ampliaciones en el futuro. La velocidad del aire en ellas no debe superar 8 m/s

TUBERÌA DE SERVICIO

Son las que surten en sí los equipos neumáticos. En sus extremos tienen conectores rápidos y sobre ellas se ubican las unidades de mantenimiento. Debe procurarse no sobre pasar de tres el número de equipos alimentados por una tubería de servicio. Con el fin de evitar obstrucciones se recomiendan diámetros mayores de ½" en la tubería. Puesto que generalmente son segmentos cortos las pérdidas son bajas y por tanto la velocidad del aire en las tuberías de servicio puede llegar hasta 15 m/s

PRESIONES DE TRABAJO

En la mayoría de las instalaciones el "Aire Comprimido" se considera como una Fuente de Energía comparable a la electricidad, el gas y el agua. En general es utilizado para el manejo de equipos de planta y para instrumentación. En ambos casos la presión de la red es entre 3 y 7 bar.

FACTORES A CONSIDERAR PARA LA SELECCIÓN DE LA TUBERÍA

Cuando se esté realizando el diseño y selección de las tuberías que llevarán el aire comprimido por la tubería principal, secundaria y de servicio hasta el equipo que lo utilizará se deben tomar en cuenta los siguientes factores para la selección del diámetro de las tuberías y los materiales que transportarán el aire comprimido:

Presión de trabajo Presión requerida por el equipo Inclinación Recubrimiento de la tubería para minimizar el condensado. Caudal a suministrar a los equipos. Tipo de Compresor a utilizar Accesorios que debe llevar cada tubería.

PENDIENTES DE TUBERÍA Y COLECTORES DE AGUA

PENDIENTES

En las redes abiertas se debe permitir una leve inclinación de la red en el sentido de flujo del aire. Esto con el fin facilitar la extracción de los condensados. Dicha inclinación puede ser de un 2%. Al final debe instalarse una válvula de purga

COLECTORES DE AGUA

Debido a que las gotas de agua y el condensado acarreado por el aire comprimido pueden dañar válvulas, filtros, corroer las tuberías y reducir el tiempo de vida útil de los accesorios y equipos que requieren el aire comprimido, es necesario eliminarlo de las tuberías de modo tal que se reduzca la necesidad de mantenimiento.

Para eliminar el condensado de las tuberías es necesario instalar purgadores de agua, existen de dos formas distintas:

Activación automática Activación manual

La cantidad de condensados en el aire comprimido depende de la humedad, la temperatura y el volumen del aire aspirado. Aparecen condensados en la red de aire comprimido, cuando la temperatura del aire comprimido es inferior a la del punto de rocío.

NORMAS QUE RIGEN LAS INSTALACIONES DE SISTEMAS NEUMÁTICOS.

ISO 4414 Técnica de fluidos-Directivas de realización relativas a sistemas neumáticos.

DIN ISO 6432 Técnica de fluidos; Cilindro neumático con vástago de pistón unilateral, 10 ver serie (1000 Kpa) diámetro interior del cilindro entre 8 y 25 mm- dimensiones de acoplamiento.

DIN ISO 15552 Fluídica - Cilindros neumáticos con piezas de fijación desmontables serie 15552 (1000Kpa) 10 bar, taladros del cilindro entre 32 y 320 mm dimensiones de base, de los acoplamientos y de los accesorios.

ASME VIII Division 1, Boiler and Pressure Vessel Code.

BIBLIOGRAFÍA

Texto utilizado en semestre para el curso de “Instalaciones Mecánicas” de la Facultad de Ingeniería.

Antonio Creus Solé, “Neumática e Hidráulica” 2da Edicion, Editorial Marcombo, Año 2011. Barcelona, España

http://www.interempresas.net/FeriaVirtual/Catalogos_y_documentos/ 4169/Tratamiento_de_aire_comprimido,_secador,_filtrado,_convertidos_Catalogos306_ES_Treatment_2011.pdf (Visitado 06/07/2013 a las 12:35 horas)