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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

DISEÑO DE UNA RED DE AIRE COMPRIMIDO PARA LA PLANTA DE

PROCESAMIENTO DE ALGODÓN DE INDUSTRIAS CIMA CARE ICC C.A.

Por:

Cesar Alberto Urbina Blanco

INFORME DE PASANTÍA

Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de

Ingeniero Mecánico

Sartenejas, Septiembre de 2016

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

DISEÑO DE UNA RED DE AIRE COMPRIMIDO PARA LA PLANTA DE

PROCESAMIENTO DE ALGODÓN DE INDUSTRIAS CIMA CARE ICC C.A.

Por:

Cesar Alberto Urbina Blanco

Realizado con la asesoría de:

Tutor Académico: Prof. José Pittol

Tutor Industrial: Ing. Rene Díaz

INFORME DE PASANTÍA

Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de

Ingeniero Mecánico

Sartenejas, Septiembre de 2016

RESUMEN

El presente trabajo consiste en el diseño y conceptualización de la red de aire comprimido

en la planta de procesamiento de algodón de la empresa Industrias Cima Care ICC C.A. ubicada

en Guarenas. En el análisis preliminar se detectaron inconvenientes de incompatibilidad de

diámetros en equipos de acondicionamiento del aire; diferencias de requerimientos en la calidad

del aire según la norma ISO 8573 entre las líneas de producción de algodón actualmente instaladas

y la nueva línea de cosméticos perteneciente al proyecto de expansión. En consecuencia, se diseñó

una red de aire comprimido para una sección de la planta y se conceptualizó otra red para los

equipos que necesiten una calidad de aire superior. Para la diferencia existente entre los diámetros

de los equipos y la línea de aire, se propuso colocar el cuerpo de filtros antes de la secadora, con

el fin de extraer el posible condensado que se genere luego de la expansión del aire en la tubería.

Las tuberías instaladas en la planta son de Polipropileno aleatorio (PPR), lo que supone una

reducción en la rugosidad interna y menores pérdidas de presión por la tubería.

Para la ventilación de sala de compresores se presentaron diferentes propuestas,

destacándose la instalación de un ducto de descarga de aire caliente del compresor y la instalación

de una reja de ventilación en una pared de servicio de la sala de compresores.

Palabras Clave: Aire Comprimido, Ventilación, Sala de compresores, Polipropileno

aleatorio (PPR), Norma ISO 7573, Calidad de aire comprimido.

v

DEDICATORIA

Para mis padres por el apoyo incondicional en cada etapa de mi vida, gracias por nunca

perder la Fe en mi aun cuando yo mismo no la tenía. No hay palabras de agradecimiento que pueda

describir el amor y la paciencia que han tenido durante este viaje que culmina con este libro.

A mis hermanos, Mi Morocho Dr. Cesapo y la Dra. Vreny H. gracias por el apoyo todos

estos años, los quiero un monto. Y bueno quien sabe si próximamente seremos los Doctores Urbina

Blanco.

A mi persona para que recuerde siempre que cuando una persona se enfoca puede cumplir

cualquier meta.

vi

AGRADECIMIENTOS Y RECONOCIMIENTOS

En primer lugar, siguiendo la tradición de mis padres y respetándola debo agradecer a DIOS

ya que, sin él, mis padres no tuvieran la voluntad que poseen y de ahí toda una cadena de eventos

afortunados y desafortunados terminan en mi persona y la culminación de este libro.

A mis padres y hermanos por el apoyo durante esa etapa, y cada decisión que tome para

llegar a este punto y poder decir me GRADUE DE LA SIMON.

Debo Agradecer a una persona que me guio al mundo de la ingeniería, fue mi mentor de

vocación, y gracias a él conocí este mundo de la ingeniería mecánica que me apasiona, Teófilo

Blanco gracias por ese apoyo incondicional y animo que me diste. Gracias por abrirme las puertas

cuando lo necesite para algún trabajo o proyecto de Immediata o de tu casa. Jacobo Blanco y

Daniel Blanco para mí, dos hermanos de padres distintos, dos colegas en ingeniería y en las

computadoras. Gracias por su apoyo y tiempo.

A persona muy especial durante mi TODA vida académica en la USB Leudy Utria (U2),

gracias por ser parte de esta aventura y espero que no sea la única. Gracias especiales porque me

ayudaron a cada tramite que tuve que hacer hasta el día de mi defensa a la Sra. Francis y Arelis

Tamaira, por todos esos consejos de trámites y de vida que me ayudaron en muchas oportunidades.

También tengo que agradecer a las personas que hacen vida en la oficina de equivalencia y

graduaciones de DACE por el apoyo que me brindaron en varias ocasiones, la Sra María, Guaner

y demás personas. También tengo que agradecer a la mejor consejera de la universidad para

tramites Yuli de la coordinación de Ing. Mecánica.

vii

A todas las personas que conocí en la universidad en especial estos últimos años, que entre

todos nos apoyamos para salir adelante en todas las materias y proyectos Pedro, José Luis, Jesús

“Chuchu”, Daniela, Eduarme, Enrique. Gracias por su amistad.

Aunque no tuvimos mucho contacto durante mi pasantía, no puedo negar que me adoptaron

antes y después de ella, Gracias a la Familia Bolívar José Luis, Leonor, María y Pedro por todo el

apoyo y el cariño que me dieron.

Toda la generación del Grupo la Comarca “la comunidad de Guatire” que hacían que ese

viaje hasta Guatire fuera menos pesado y más rápido, y por esa amistad y gentilicio tan agradable

que les caracteriza.

Al Ingeniero Rene Díaz por brindarme el apoyo y el conocimiento necesario para realizar

este trabajo de pasantía y más allá del alcance de este libro.

Al Profesor José Pittol, por darme el tiempo y apoyo necesario parar el desarrollo de este

informe y su asesoría durante el transcurso de este proyecto.

viii

INDICE GENERAL

RESUMEN .......................................................................................................................................................... IV

DEDICATORIA ................................................................................................................................................... V

AGRADECIMIENTOS Y RECONOCIMIENTOS ........................................................................................... VI

INDICE GENERAL .......................................................................................................................................... VIII

INDICE DE TABLAS .......................................................................................................................................... XI

INDICE DE FIGURAS ....................................................................................................................................... XII

LISTA DE ABREVIATURAS ........................................................................................................................... XIII

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................... 14

CAPÍTULO I ....................................................................................................................................................... 16

LA EMPRESA ..................................................................................................................................................... 16

1.1. INDUSTRIAS CIMA CARE ..................................................................................................................... 16

1.2. MISIÓN ................................................................................................................................................ 16

1.3. VISIÓN ................................................................................................................................................. 16

1.4. VALORES ............................................................................................................................................. 16

1.5. ORGANIGRAMA DE LA COMPAÑÍA ....................................................................................................... 17

1.6. POSICIÓN DEL PASANTE EN LA EMPRESA ............................................................................................. 18

CAPÍTULO II ..................................................................................................................................................... 19

MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................................ 19

2.1. LA NEUMÁTICA EN LA INDUSTRIA ....................................................................................................... 19

2.1.1. Definición y comienzos ............................................................................................................... 19 2.1.2. Actualidad ................................................................................................................................... 19 2.1.3. Ventajas y desventajas ................................................................................................................ 20

2.2. RED DE AIRE COMPRIMIDO ................................................................................................................. 21

2.2.1. Generación del Aire Comprimido (Compresores) ...................................................................... 21 2.2.2. Tipos de Compresores ................................................................................................................ 22

2.2.2.1. Compresores reciprocantes .................................................................................................................. 22

2.2.2.2. Compresores rotativos ......................................................................................................................... 23

2.2.2.3. Compresor de tornillo GA 55 VSD ..................................................................................................... 24

2.2.3. Acondicionamiento del Aire Comprimido .................................................................................. 25 2.2.3.1. Secadores ............................................................................................................................................. 25

2.2.3.1.1. Capacidad de una secadora .......................................................................................................... 25

2.2.3.1.2. Tipos de secadores....................................................................................................................... 26

2.2.3.1.3. Modelo FD 180 ........................................................................................................................... 27

2.2.3.2. Filtro, lubricadores y reguladores ........................................................................................................ 27

2.2.3.3. Depósito de Aire .................................................................................................................................. 28

2.2.4. Diseño de la red de Aire comprimido ......................................................................................... 29 2.2.4.1. Dimensionamiento de la red de aire comprimido ................................................................................ 30

2.2.4.2. Capacidad de aire requerida ................................................................................................................. 31

ix

2.2.4.3. Consumo especifico ............................................................................................................................. 31

2.2.4.4. Factor de utilización y coeficiente de simultaneidad ........................................................................... 31

2.2.4.5. Factor de fuga ...................................................................................................................................... 32

2.2.4.6. Factor de Expansión ............................................................................................................................ 32

2.2.4.7. Tuberías ............................................................................................................................................... 32

2.2.4.8. Caídas de presión aceptadas ................................................................................................................ 33

2.2.4.9. Ventilación de la sala de compresores ................................................................................................. 34

2.2.4.10. Tipos de arreglo de la red de aire comprimido .................................................................................. 34

2.2.4.10.1 Arreglo Abierto .......................................................................................................................... 35

2.2.4.10.2. Arreglo Cerrado ......................................................................................................................... 36

CAPÍTULO III .................................................................................................................................................... 37

DISEÑO DE LA RED DE AIRE COMPRIMIDO ............................................................................................. 37

3.1 LEVANTAMIENTO DE LA INFORMACIÓN ................................................................................................ 37

3.1.1. Información de la sala de compresores ...................................................................................... 37 3.1.1.1. Compresor ........................................................................................................................................... 37

3.1.1.2. Secadora .............................................................................................................................................. 38

3.1.1.3. Separador de agua ................................................................................................................................ 39

3.1.1.4. Tanque de depósito de Aire Comprimido ............................................................................................ 39

3.1.1.5. Filtros de condensado grueso y fino .................................................................................................... 40

3.1.1.6. Filtro de condensado fino .................................................................................................................... 40

3.1.2. Datos técnicos de las líneas de producción ................................................................................ 41 3.1.2.1. Línea 1 – Zig-Zag ................................................................................................................................ 41

3.1.2.2. Línea 2 – Motas ................................................................................................................................... 42

3.1.2.3. Línea 3 – Hisopos ................................................................................................................................ 42

3.1.2.4. Línea 4 - Cosméticos ........................................................................................................................... 43

3.1.3. Información Civil ........................................................................................................................ 44 3.1.3.1. Anillo de distribución Principal ........................................................................................................... 45

3.1.3.2. Sala de compresores ............................................................................................................................ 46

3.2. ANÁLISIS PRELIMINAR DE LOS EQUIPOS Y LA OBRA CIVIL .................................................................... 47

3.3. CONCEPTUALIZACIÓN DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN ............................................................................ 47

3.3.1. Propuesta 1 de red de distribución ............................................................................................. 48 3.3.2. Propuesta 2 de red de distribución ............................................................................................. 48 3.3.3. Propuesta 3 de red de distribución ............................................................................................. 49 3.3.4. Propuesta 4 de red de distribución y suministro ........................................................................ 49 3.3.5. Propuesta de red de aire comprimido para cosméticos.............................................................. 51

CAPÍTULO IV .................................................................................................................................................... 53

PROPUESTA DE RED DE AIRE COMPRIMIDO ........................................................................................... 53

4.1. CALCULO DE CAPACIDAD DE AIRE REQUERIDO ................................................................................... 53

4.2. EVALUACIÓN DE CAPACIDAD DEL COMPRESOR ................................................................................... 54

4.3. EVALUACIÓN DEL DEPÓSITO DE AIRE .................................................................................................. 55

4.3.1. Dimensiones del depósito ........................................................................................................... 55

x

4.3.2. Tiempo de autonomía del depósito ............................................................................................. 55 4.4. EVALUACIÓN DE LA SECADORA ........................................................................................................... 56

4.5. PROPUESTA DE RED DE AIRE COMPRIMIDO........................................................................................... 57

4.5.1. Planos de la red .......................................................................................................................... 57 4.5.2. LISTA DE TUBERÍAS, CONEXIONES Y ACCESORIOS ............................................................................ 61

4.6. CALCULO DE LAS CAÍDAS DE PRESIÓN EN LA RED DISEÑADA .............................................................. 61

4.6.1. Perdidas por equipos de sala de compresores............................................................................ 62 4.6.2. Perdidas por la red de distribución ............................................................................................ 62

4.6.2.1. Línea 1 ................................................................................................................................................. 63

4.6.2.2. Línea 2 ................................................................................................................................................. 64

4.6.2.3. Línea 3 ................................................................................................................................................. 65

4.6.2.4. Línea 4 ................................................................................................................................................. 66

4.6.3. CÁLCULO DE VENTILACIÓN REQUERIDA EN SALA DE COMPRESORES ................................................ 67

CONCLUSIONES ............................................................................................................................................... 69

RECOMENDACIONES...................................................................................................................................... 71

REFERENCIAS .................................................................................................................................................. 72

APENDICES ....................................................................................................................................................... 73

xi

INDICE DE TABLAS

TABLA 2.1. ROTULACIÓN DE TUBERÍAS DE AIRE COMPRIMIDO ..................................................... 33

TABLA 3.1. DATOS TECNICOS DEL COMPRESOR ............................................................................. 38

TABLA 3.2. DATOS TECNICOS DE LA SECADORA ............................................................................ 38

TABLA 3.3. DATOS TECNICOS DEL SEPARADOR DE AGUA ............................................................. 39

TABLA 3.4. DATOS TECNICOS DEL DEPOSITO DE AIRE COMPRIMIDO............................................. 39

TABLA 3.5 . DATOS TECNICOS DEL FILTRO DE CONDENSADO GRUESO ......................................... 40

TABLA 3.6 . DATOS TECNICOS DEL FILTRO DE CONDENSADO FINO ............................................... 40

TABLA 3.7. DATOS TÉCNICOS Y REQUERIMIENTOS DE LA LÍNEA 1 ................................................ 41

TABLA 3.8. DATOS TÉCNICOS Y REQUERIMIENTOS DE LA LINEA 2 ................................................ 42

TABLA 3.9. DATOS TÉCNICOS Y REQUERIMIENTOS DE LA LINEA 3 ................................................ 43

TABLA 3.10. DATOS TÉCNICOS Y REQUERIMIENTOS DE LA LINEA 4 .............................................. 43

TABLA 3.11. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE PROPUESTAS DE LA RED DE AIRE COMPRIMIDO ...... 51

TABLA 4.1. CAPACIDAD TEORICA DE AIRE REQUERIDO ................................................................. 53

TABLA 4.2. CAPACIDAD REAL DE AIRE REQUERIDO ...................................................................... 54

TABLA 4.3. VERIFICACION DEL COMPRESOR.................................................................................. 54

TABLA 4.4. LISTA DE TUBERIAS Y ACCESORIOS PARA LA INSTALACION DE LA RED .................... 61

TABLA 4.5. CAÍDAS DE PRESIÓN EN LA SALA DE COMPRESORES ................................................... 62

TABLA 4.6. PRESION DE SALIDA DE LA SALA DE COMPRESORES ................................................... 62

TABLA 4.7. RESULTADO DE PERDIDAS EN LINEA 1 ......................................................................... 64



TABLA 4.10. RESULTADO DE PERDIDAS EN LINEA ......................................................................... 66

xii

INDICE DE FIGURAS

FIGURA 2. 1. IMAGEN DE UNA SALA DE COMPRESORES (CASSANI, 2016) .......................................................... 21

FIGURA 2. 2. TIPOS DE COMPRESORES. (ABUCHAIBE, RODRIGUEZ , TIMPERI, MORENA , & SANCHEZ , 2013) ........... 22

FIGURA 2. 3. TIPOS DE COMPRESORES (HANLON, 2001) ............................................................................... 23

FIGURA 2. 4. COMPRESOR ATLAS COPCO GA 55 VSD. (ATLAS COPCO, 2012) .................................................. 24

FIGURA 2. 5. TIPOS DE SECADORES SEGÚN SU ACCIONAR. (MAJUMDAR, 1997) ................................................. 26

FIGURA 2. 6. SECADORA ATLAS COPCO FD 185.(ATAS COPCO, 2012) ............................................................ 27

FIGURA 2. 7. ARREGLO DE UNA RED DE AIRE COMPRIMIDO ABIERTA (ROYO, 1997) ............................................ 35

FIGURA 2. 8. ARREGLO DE UNA RED DE AIRE COMPRIMIDO CERRADA (ROYO, 1997) ........................................... 36

FIGURA 3. 1. DISTRIBUCION DE LA PLANTA ............................................................................................... 44

FIGURA 3. 2. ANILLO PRINCIPAL DE DISTRIBUCIÓN DE LA RED DE AIRE COMPRIMIDO ......................................... 45

FIGURA 3. 3. SALA DE COMPRESORES ...................................................................................................... 46

FIGURA 3. 4. PROPUESTA 1 DE LA RED DE AIRE COMPRIMIDO ........................................................................ 48



FIGURA 3. 7. PROPUESTA DE DISTRIBUCIÓN Y LÍNEA DE SERVICIO .................................................................. 50

FIGURA 3. 8. PROPUESTA DE DOS ANILLOS DE DISTRIBUCIÓN ........................................................................ 52

FIGURA 3. 9. COMPRESOR SERIE AQ ATLAS COPCO (ATLAS COPCO, 2015) ...................................................... 52

FIGURA 4. 1. DIAGRAMA PID DE LA RED DE AIRE COMPRIMIDO ..................................................................... 58

FIGURA 4. 2. PLANO DE LA RED DE AIRE COMPRIMIDO (VISTA DE PLANTA) ....................................................... 59

FIGURA 4. 3. PLANO DE SALA DE COMPRESORES CON EQUIPOS Y TUBERIA ........................................................ 60

FIGURA 4. 4. RECORRIDO DEL AIRE PARA EL CÀLCULO DE PERDIDAS DE LA LÍNEA 1 ........................................... 63

FIGURA 4. 5. CONCEPTUALIZACIÓN DE REJA DE VENTILACIÓN Y DUCTO DE DESCARGA DEL COMPRESOR ................ 68

xiii

LISTA DE ABREVIATURAS

FAD: Free Air Delivery, es la cantidad de aire comprimido que expulsa el compresor a condiciones

ISO 1217. (Engineeringtoolbox.com, 2016)

EC: Ecuación.

14

INTRODUCCIÓN

Industrias Cima Care ICC C.A. es una empresa manufacturera privada formada

recientemente para la fabricación y comercialización de productos de higiene personal de alta

calidad. De manera particular, se enmarca como una propuesta innovadora y de excelencia en el

ramo del algodón para uso cosmético. Sus instalaciones están ubicadas en la zona industrial del

este de la ciudad de Guarenas, estado Miranda.

Actualmente, la planta cuenta con 3 líneas de producción de algodón y proyecta una

expansión futura para la producción de cosméticos. Sus instalaciones se encuentran en la fase final

de construcción. Esto incluye el acabado de pisos epóxicos para usos industriales, la instalación de

aire acondicionado en las áreas de procesamiento y acondicionamiento del producto. Además, la

instalación de maquinaria para procesar algodón y el suministro de servicios críticos como aire

comprimido y energía eléctrica para las líneas de producción de algodón.

El diagnóstico de los requerimientos de las líneas de producción y los equipos de la sala de

compresores arrojó un inconveniente de incompatibilidad entre la calidad de aire requerida por los

equipos actuales y la expansión futura de la planta ya que la misma necesita calidad de aire ISO

8573 2-1-0 y la que entregan los equipos que se encuentran en stock es ISO 8573 2-1-1.

La red de aire comprimido debe surtir a todas las líneas de producción de la planta por lo

que debido al nivel de pureza requerido por la línea 4 de cosméticos se decidió dividir la red en dos

etapas: la primera con los equipos que tienen disponibles para suministrar el aire comprimido a las

líneas 1,2,3 y la sección de acondicionamiento de la línea 4 (L-4-A) y una segunda etapa que

conlleva a la construcción de otra red de distribución para la sección de fabricación de la línea 4

(L-4-F) que requiere un aire exento de aceite.

Adicionalmente, se detectaron inconvenientes en las magnitudes de los diámetros de

entrada y salida de varios equipos de acondicionamiento de la red de aire comprimido y la

deficiente ventilación en la sala de compresores.

15

Tomando en consideración las necesidades de la empresa y la evaluación de la planta, se

planteó el presente trabajo el cual tiene los siguientes objetivos.

Objetivo general

Diseñar y conceptualizar la red de aire comprimido en la planta de procesamiento de

algodón de la empresa Industrias Cima Care ICC C.A. ubicada en Guarenas.

Objetivos específicos

Diseñar la red para suministrar aire comprimido a las máquinas de procesamiento de

algodón y zonas de acondicionamiento de las líneas 1,2 y 3.

Determinar la compatibilidad de la red de procesamiento de algodón con la red de

producción de cosméticos de la expansión futura de la planta.

16

CAPÍTULO I

LA EMPRESA

1.1. Industrias Cima Care

Industrias Cima Care es una empresa nueva conformada por capital venezolano que cree

en el país, y que se proyecta afianzar en el mercado de productos de algodón para uso cosméticos,

apostando por una visión de excelencia que cree estándares en los productos que genere.

1.2. Misión

“Industrias Cima Care es una empresa venezolana de que se enfocara en la fabricación y

comercialización de productos de cuidado personal de reconocidas marcas. Mejorando

continuamente, creciendo de forma planificada y rentable a la vez de contribuir con el bienestar de

Venezuela y la sociedad. Trabajaremos para ser el cliente preferido por nuestros proveedores y el

mejor proveedor de nuestros clientes, siempre con los valores de honestidad e integridad”.

1.3. Visión

“Ser una reconocida empresa venezolana de manufactura de productos de cuidado personal

con una gran calidad y entregados al consumidor con una gran excelencia.”

1.4. Valores

Una empresa se logra consolidar en el mercado y en una sociedad cambiante cuando tienen

claros los valores e ideales de que cada miembro de la organización debe tener. Por esta razón en

Industrias Cima Care busca entre sus empleados:

17

Valor por la calidad y el profesionalismo

Sentido de pertenencia y compromiso

Vocación de servicio

Alegría

Ética

Responsabilidad social

Compañerismo y excelencia

Como principales valores para lograr así entre todos los que pertenecen a esta organización

cumplir las metas y objetivos que se tracen desde la directiva de la compañía.

1.5. Organigrama de la compañía

En la figura 1.1 se muestra el organigrama de la empresa, la cual consta de 2 divisiones

principales para el área administrativa y 3 gerencias para la fabricación y control de la producción.

Figura 1.1.- Organigrama de la empresa

Gerente General

Gerencia de producción

Control de la producción

Mantenimiento

Almacén

Gerencia de Ingeniería

Control de procesos

Seguridad Industrial

Integración de equipos

Gerencia de control de calidad

Control de materia prima

Control de producto

terminado

División de talento humano

Captación de talento humano

Relaciones internas

División de finanzas

Compras menores

Facturación y control de

pedidos

18

1.6. Posición del pasante en la empresa

Dentro de la empresa me desempeñe dentro de la gerencia de ingeniería para apoyar en las

labores de diseño y adecuación de equipos para la instalación de la red de aire comprimido de la

planta, además de participar en las actividades diarias de dicho departamento, como procura de

materia prima requerida para la obra y el diseño de distintos planes de trabajo para las diferentes

actividades dentro del acondicionamiento del galpón para la operación de las líneas de producción.

19

CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

En el siguiente capítulo se presentará el contenido teórico que su utilizo en la elaboración

del presente trabajo, es una recopilación de libros teóricos y manuales de operación de las distintas

máquinas que se instalaran para formar la red de aire comprimido.

2.1. La Neumática en la industria

2.1.1. Definición y comienzos

La neumática se refiere a la utilización del aire para realizar un trabajo, que puede ir, desde

el simple movimiento de un cometa, hasta un complejo juego de válvulas dentro de un proceso. La

neumática se desarrolló con mayor auge a partir de la segunda guerra mundial debido a la creciente

demanda bélica y a la poca mano de obra calificada, estos avances se hicieron a la par de los

avances en la tecnología de sensores lo que permitió al hombre automatizar procesos en la industria.

(Solé, 2007)

2.1.2. Actualidad

Hoy en día la neumática es cada vez más común en la industria gracias a la posibilidad que

tiene de abaratar costos y aumentar producción, esto debido en gran parte a que, junto a la

automatización reduce el factor humano en el proceso productivo, lo cual disminuye los tiempos y

aumenta la producción a pequeña y gran escala. (Majumdar, 1997)

Empresas de alimentos, farmacéutica, cosméticos, algodones, minería e incluso

construcción la emplean la neumática para mover desde la materia prima hasta el proceso de

empaque, y en la construcción; un ejemplo claro es el martillo neumático. Todos estos equipos y

20

herramientas que logran que un caudal de aire exacto pueda desde mover un pistón para triturar

una roca hasta lograr los engorrosos dobleces de un empaque de algodones. También se ha

avanzado en el área vehicular, incorporando la neumática en los sistemas de frenado y

amortiguación de vehículos.

2.1.3. Ventajas y desventajas

Las principales razones por las cuales la neumática ha tenido tanto auge según Creus (Solé,

2007) y Majundar (Majumdar, 1997) son:

Al usar aire como fluido se tiene con un recurso de gran disponibilidad y bajo costo de

utilización.

El aire posee una fácil compresibilidad y se puede transportar sin mayor problema por

tuberías a presión.

Su propiedad de volatilidad nula la hace muy atractiva ya que al momento de fuga no

hay riesgo de una explosión

La sencillez de la construcción de los elementos neumáticos.

El simple control de presión, velocidad y fuerza que se necesite aplicar.

El uso de aire comprimido para accionar diferentes herramientas o maquinas disminuye

el consumo eléctrico en una planta en comparación a herramientas de accionar eléctrico.

Los sistemas neumáticos tienen un mantenimiento mucho más sencillo con relación a

otros sistemas, al igual que costo, los sistemas neumáticos son más económicos cuando

se les compara para realizar el mismo trabajo. (Majumdar, 1997)

En relación a las desventajas que se pueden tener con un sistema neumático, tenemos que,

debido a la compresibilidad del aire, no se pueden obtener velocidades estables y las fugas en el

sistema de transporte, desde el lugar de compresión hasta su uso pueden disminuir su eficiencia.

(Solé, 2007). Además de esto se tiene que su uso en diferentes aplicaciones requiere una

preparación previa.

21

2.2. Red de Aire Comprimido

Una red de aire comprimido es una extensión de tuberías por las cuales se hace circular aire

comprimido para su posterior uso. Ya sea para accionar de máquinas o para usarlo durante el

proceso de producción de un producto. La misma está compuesta por diferentes equipos y algunas

variaciones de ellos mismos como se ve en la figura 2.1 en la misma se aprecian los componentes

principales de una red los cuales son, el compresor, tanque o pulmón, un secador, filtros, tuberías,

y las máquinas que se deseen accionar mediante aire comprimido.

Figura 2. 1. Imagen de una sala de compresores (Cassani, 2016)

2.2.1. Generación del Aire Comprimido (Compresores)

El aire comprimido se genera en máquinas capaces de transmitirle energía al aire

atmosférico disminuyendo su volumen, dicha maquina se llama compresor, por normas

internacionales la mayoría de las aplicaciones en la industria trabaja alrededor de 6 bar de presión

(Solé, 2007). Los compresores se pueden diferenciar de distintas formas, como por el número de

etapas, geometría, partes en movimiento, o hasta lubricación; pero existen dos grandes clases en

las cuales se pueden enmarcar los compresores; de desplazamiento positivo y los dinámicos. Esta

clasificación viene dada en la manera en que le entregan energía al fluido, y como llegan a las

presiones de trabajo. En la figura 2.2 se aprecia un diagrama de tipos de compresores utilizada con

mayor frecuencia en la actualidad.

22

Figura 2. 2. Tipos de compresores. (Abuchaibe, Rodriguez , Timperi, Morena , & Sanchez ,

2013)

2.2.2. Tipos de Compresores

En la actualidad existe una gran gama de equipos para la compresión del aire y otros gases,

los cuales se pueden separar en dos grandes grupos según su principio de funcionamiento, los

compresores de desplazamiento positivo y los compresores dinámicos o rotativos, a continuación,

se presenta una breve reseña de ellos.

2.2.2.1. Compresores reciprocantes

En este tipo de compresores, el aire cambia de volumen en una cámara que modifica su

geometría, lo cual genera fricción y calor que debe ser disipado con lubricantes, por lo cual existen

una variedad de compresores de esta clase, como los compresores de pistón simple o doble y los

de paleta Los compresores de pistones son muy comunes y usados para altos niveles de presión,

pero poseen un problema cuando se debe entregar la energía, ya que debido a su movimiento de

biela-manivela, el aire se expulsa por pulsos, lo que puede no ser eficiente si requiere un caudal

Compresores

Desplazamiento Positivo

Reciprocantes

Pistón

Laberinto

Diafragma

Rotatorios

Lóbulos

Anillo líquido

Paletas deslizantes

Una espiral

Dos espiralesDinámicos

Centrífugos

Axiales

Eyector

23

constante, lo que trae como consecuencia que se deba instalar un tanque de expansión para

contrarrestar este aspecto. Por otro lado, los compresores de paleta no tienen este problema y

podrían usarse sin tanque de expansión, lo que representa una ventaja significativa cuando se

evalúa todo el sistema de aire comprimido para una instalación. (Majumdar, 1997)

2.2.2.2. Compresores rotativos

Estos compresores generan el aire comprimido mediante un sistema giratorio, desde la

entrada del compresor hasta su descarga, tienen la facultad de tener una descarga continua, lo que

es importante en algunas aplicaciones. Se separan en tres principales grupos (ver figura 2.3). (Royo,

1997)

Compresores de paletas: en él se tiene un rotor excéntrico a la carcasa del equipo y

poseer una serie de paletas que se mueven al extremo de la carcasa por la fuerza

centrífuga para crear el paquete.

Compresores tipo roots: este tipo de compresor tiene un rotor elíptico y una rueda de

paletas giratorias.

Compresores de tornillo: se conforman principal mente de dos rotores con lóbulos

helicoidales de engrane constante. Se pueden tener de un solo eje o doble eje.

Figura 2. 3. Tipos de compresores (Hanlon, 2001)

24

2.2.2.3. Compresor de tornillo GA 55 VSD

El compresor de tornillo GA 55 VSD posee una etapa de compresión, con inyección

de aceite y es accionado mediante un motor eléctrico. Una de sus características principales es la

tecnología VSD (Variable Speed Drive) lo que le permite variar su velocidad de trabajo en función

de la demanda de la planta, aumentando su eficiencia y reduciendo el consumo eléctrico en horas

de poco consumo. Otra característica es que todos los componentes del conjunto de compresión

están dentro de la carcasa, protegiéndolos así de algún golpe o manipulación indebida, como se

puede apreciar en la figura 2.4. todos los paneles de esta carcasa son desmantelables para

reparaciones internas (Atlas Copco, 2012)

Este compresor fabricado por Atlas Copco posee un sistema regulador Elektronikon®

instalado en la carcasa externa para manipular más fácilmente el equipo y controlar también a

distancia el mismo. En la Figura 2.4 se pueden apreciar las características principales y la leyenda

del compresor.

Figura 2. 4. Compresor Atlas Copco GA 55 VSD. (Atlas Copco, 2012)

AV Válvula de salida de aire

ER Controlador Gráfico Elektronikon®

S3 Botón de parada de emergencia

Da Salida automática de condensado

Dm Salida manual de condensado

25

2.2.3. Acondicionamiento del Aire Comprimido

Hoy día cada los avances tecnológicos incrementa la eficiencia de las maquinas por lo que

se necesita cada vez un aire con una mejor calidad para que estas funcionen acorde a las

especificaciones de fabricación; por ello es imperativo el acondicionamiento de aire comprimido

para su uso en las diferentes etapas de manufactura y procesamiento de productos.

2.2.3.1. Secadores

Los secadores son dispositivos que se encargan de separar la humedad del aire para evitar la

condensación aguas abajo, para evitar posibles daños tanto en los equipos conectados como a la

misma red de aire comprimido. Un estancamiento de agua en las tuberías podría causar deterioro

y corrosión en las mismas, pudiendo así estrangularlas, lo que a su vez resultaría en una presión

menor en el punto de uso. Un equipo de compresión puede producir hasta 10 litros de agua por

hora trabajando con una humedad relativa de 80%.

El término “punto de roció a presión” o PRP se usa para nombrar al contenido de agua en

el aire comprimido. Un punto de roció bajo indica una poca cantidad de vapor de agua en el aire

comprimido.

2.2.3.1.1. Capacidad de una secadora

La capacidad de aire que maneja una secadora viene relacionada directamente con la

capacidad de aire que tiene el compresor y ciertas especificaciones del compresor que varían en

función del fabricante, para Atlas Copco la capacidad real de una secadora frigorífica viene dada

por la ecuación 2.1.

𝑸𝒓𝒆𝒂𝒍 = 𝑸𝒏𝒐𝒎𝒊𝒏𝒂𝒍 × 𝑲 Ecuación 2.1

donde:

K = es un factor que se determina del Monograma para el cálculo de caída de presión del

apéndice A

Qnominal = es caudal nominal a la entrada del secador

26

Qreal = es caudal real de la secadora

Los factores K se obtienen de una gráfica experimental del apéndice 1. La caída de presión

producida por el secador viene dada por la ecuación:

∆𝑷𝒓𝒆𝒂𝒍 = ∆𝑷𝒏𝒐𝒎𝒊𝒏𝒂𝒍 × (𝑸𝒓𝒆𝒂𝒍

𝑸𝒏𝒐𝒎𝒊𝒏𝒂𝒍)

𝟐

× (𝟖

𝑷𝒓𝒆𝒂𝒍) Ecuación 2.2

donde:

Preal = es la presión absoluta de trabajo (bar)

2.2.3.1.2. Tipos de secadores

En la actualidad existen varias maneras de secar el aire comprimido, refrigeración más

separación, sobre-compresión, el uso de membranas, y la absorción - absorción. A continuación,

en la figura 2.5, se presenta un diagrama que clasifica las secadoras según los métodos que emplean.

Figura 2. 5. Tipos de Secadores según su accionar. (Majumdar, 1997)

Métodos de secado

Condensación

Por medio mecánicos Compresión

Por medios de enfriamiento

Refrigeración

Absorción a través de productos químicos

Absorción

Bióxido de silicona como secador fijo

(Solido)

Sin calentamiento

Con Calentamiento del material secador

Con calentamiento del aire efluente, por calor de regeneración

Absorción química

Por medios fluidos de secado

Por medio de secado que se disuelve, los

cuales se desvaneces

27

2.2.3.1.3. Modelo FD 180

El secador de aire FD elimina la humedad del aire comprimido enfriándolo hasta cerca del

punto de congelación, lo que produce que el agua condense y no entre a la red, el drenado del agua

se realiza de manera automática mediante un equipo de diferencial de presión. Luego de realizar el

secado del aire, se vuelve a calentar antes de inyectarlo nuevamente a la red.

El secador FD 180 posee un regulador regulador Elektronikon® (ER1) que se encarga de

proteger y controlar el secador como se puede apreciar en la figura 2.6.

Figura 2. 6. Secadora Atlas Copco FD 185.(Atas Copco, 2012)

2.2.3.2. Filtro, lubricadores y reguladores

El acondicionamiento anterior evita el exceso de vapor de agua en la tubería, pero el aire

antes de ser utilizado en las maquinas según la función para la que se necesita, debe poseer ciertas

características adicionales, por las que es necesario la instalación de otros equipos como filtros que

eliminen impurezas del aire atmosférico, lubricadores que agreguen aceite, agua o en el caso de

maquinarias para algodón un bactericida.

AO Salida de aire seco

AI Entrada de aire húmedo

ER1 Regulador Elektronikon®

28

Además de esto, todo elemento mecánico sufre desgaste al ser accionado, el mismo puede

ser reducido con la lubricación por lo cual una unidad de lubricación es necesaria en algunas

aplicaciones. Cuando se agrupan los tres equipos (ver figura 2.7) se obtiene una unidad denominada

FLR por las siglas filtro, lubricador y regulador. Estos equipos se colocan lo más próximo al punto

de uso o la máquina.

Figura 2. 7. Arreglo general de un equipo FLR (Filtro, regulador y lubricador) (Royo, 1997)

2.2.3.3. Depósito de Aire

El deposito es una parte integral de sistema de aire comprimido ya que permite almacenar

aire para ayudar al compresor cuando se presenten altas demandas de caudal, ayuda al enfriamiento

y separación del condensado del aire y amortigua la frecuencia con la que se activa el compresor,

ayudando así a un menor consumo eléctrico y alargando la vida del compresor.

Su ubicación puede variar dependiendo de los requerimientos de la red, si se tiene una

máquina que posee mayores picos de consumo de aire comprimido se puede colocar un tanque de

almacenamiento cerca de la misma, de manera de suplir esta demanda extra cuando sea requerida.

Pero en caso de que el pico de consumo sea regular, se debe realizar un análisis de la red con el fin

de evaluar una posible ampliación en función de los requerimientos de la máquina.

El tamaño y capacidad del tanque varían en función del compresor que se disponga y las

necesidades de la red, la empresa Atlas Copco recomienda usar la siguiente ecuación para

compresores con sistema VSD

29

𝑽 =𝒒×𝒕

𝑷𝟏−𝑷𝟐=

𝑳

𝑷𝟏−𝑷𝟐 Ecuación 2.3

donde:

V: Volumen del depósito de aire (l)

q: Caudal de aire durante fase de vaciado (l/s)

t: Duración de la fase de vaciado (s)

P1: Presión normal de trabajo en la red (bar)

P2: Presión mínima para el punto de consumo (bar)

L: requisito de aire para la fase de llenado (1/ciclo de trabajo)

2.2.4. Diseño de la red de Aire comprimido

El objetivo principal de una red es llevar aire comprimido desde el compresor hasta el punto

de utilización de una manera directa, esto dividido en tres parámetros principales el aire

comprimido como lo son la presión, el caudal y su calidad.

Para cumplir con estos parámetros existen cuatro componentes que toda red debe de tener,

los mismos son:

La línea principal; la cual lleva el aire comprimido desde la sala de compresores hasta

la zona de uso o área de equipos de consumo.

La línea de distribución; es la tubería que va desde la línea principal hasta el área donde

se necesita el aire comprimido y se extiende hasta todos los de distribución.

La línea de servicio; es la tubería que va de la línea de distribución hasta el punto de

uso.

Los accesorios de línea; que son los equipos o adaptadores que se colocan en la línea

para llevar el aire de un lugar a otro, como válvulas conexiones, unidades de preparación

de aire y mangueras.

El objetivo principal de una red es llevar aire comprimido desde el compresor hasta el punto

de utilización de una manera directa, esto dividido en tres parámetros claves el aire comprimido

como lo son la presión, el caudal y su calidad.

30

Una característica importante al momento de diseñar una red que tiene varias zonas de

consumo, es el poder aislar las secciones de manera que al momento de hacer algún mantenimiento

no se afecta todo el sistema. Con esto se logrará minimizar las posibles fugas que existan en una

zona afectada por algún problema, al igual que será más fácil determinarlas; en caso de falla del

sistema de compresión se puede llevar aire a las zonas más importantes, una característica muy

importante en hospitales.

2.2.4.1. Dimensionamiento de la red de aire comprimido

Una vez identificado los puntos en los que se requiera el aire comprimido y el lugar de la

sala de compresores se debe crear la red, por propiedades del fluido, el aire dentro de la tubería

genera pérdidas por cada uno de los accesorios que atraviese, además de esto, los mismos

componentes de la red como codos, válvulas, etc. también generan pérdidas que se pueden

aproximar por medio de la ecuación 2.4 y en la tabla de longitudes equivalentes de cada accesorio

(ver Apéndice B, Tabla de longitudes equivalentes del fabricante Atlas Copco). Luego de llevar

los accesorios a una longitud equivalente se utiliza la ecuación 2.4 para llevar esa longitud a

pérdidas de presión.

∆𝑷 =𝟒𝟓𝟎×𝒒𝟏.𝟖𝟓 ×𝒍

𝒅𝟓× 𝒑 𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 2.4

donde:

∆P:es la caída de presión en la línea (bar)

Q: es el caudal de aire libre (l/s)

D: es el diámetro interno de la tubería (mm)

L: es la longitud de la tubería (m)

P: es la presión inicial absoluta (bar)

Además de la ecuación 2.4 se usan tablas o monogramas para determinar la caída de presión

en función del diámetro de la tubería, esto se logra fijando valores del diámetro de la tubería. El

monograma se encuentra en el apéndice C

31

2.2.4.2. Capacidad de aire requerida

La capacidad de aire requerida en un valor que se determina sumando los consumos

específicos de caudal de cada una de las máquinas y equipos que se van a instalar en la red y

tomando algunas consideraciones técnicas como el factor de utilización, el factor de simultaneidad,

el factor de carga y el factor de fuga.

𝑸𝒓𝒆𝒂𝒍 = 𝑸𝒕𝒆𝒐𝒓𝒊𝒄𝒐 × 𝑭𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 𝒅𝒆 𝒖𝒔𝒐 × 𝑭𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 𝒅𝒆 𝒔𝒖𝒎𝒖𝒍𝒕𝒂𝒏𝒆𝒊𝒅𝒂𝒅 Ecuación 2.5

𝑸𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝑸𝒓𝒆𝒂𝒍 × 𝑭𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 𝒅𝒆 𝒆𝒙𝒑𝒂𝒏𝒔𝒊𝒐𝒏 × 𝑭𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 𝒅𝒆 𝒇𝒖𝒈𝒂 Ecuación 2.6

2.2.4.3. Consumo especifico

El consumo especifico como su nombre lo indica es el consumo de aire requerido por una

maquina o herramienta de aire comprimido a una presión determinada, este valor viene expresado

en l/s o Nm3/min. En el caso industrial mayormente esta presión es entre 7 y 8 bar. Para algunas

aplicaciones específicas puede ser mayor.

2.2.4.4. Factor de utilización y coeficiente de simultaneidad

El Factor de utilización de un compresor es la capacidad que necesita este equipo para suplir

la demanda de una maquina o una herramienta neumática, es calculado según el consumo

especifico de cada máquina por el tiempo que esté en funcionamiento. Este valor se calcula

experimentalmente.

El coeficiente de simultaneidad viene dado por el tiempo de uso de las máquinas y equipos

conectados en la línea en relación al tiempo que están en reposo. Al igual que el factor de utilización

se mide experimentalmente.

32

Para los efectos de este libro y tomando en consideración la experiencia de profesionales

en el área, el coeficiente de utilización y el factor de simultaneidad de las maquinas que se

instalaran será de 100% ya que todas las líneas de producción funcionaran ininterrumpidamente

una vez puestas en operación y en el mismo momento.

2.2.4.5. Factor de fuga

Un factor importante cuando se dimensiona una red de aire comprimido es el factor de fuga,

con él se calculan las posibles fugas que puedan suscitar a lo largo del tiempo de operación de la

red, una planta en buen estado y con un buen mantenimiento puede bajar su porcentaje de fugas

hasta 5% pero si por el contrario se abandona el mantenimiento las fugas pueden llegar a consumir

un 30% de la capacidad instalada.

2.2.4.6. Factor de Expansión

El factor de expansión o crecimiento de una red es un valor que depende en su mayoría del

costo inicial del proyecto y las proyecciones que se tengan a futuro de incrementar el consumo

debido a una expansión de la planta o una simple remodelación y cambio de maquinaria que tenga

una mayor demanda. Según el manual del aire comprimido de Atlas Copco este valor debe tener

un rango entre 10 a 15% anual por los primeros 3 años si se tiene programa una expansión.

2.2.4.7. Tuberías

En la actualidad existen diferentes materiales usados para la construcción de tuberías los

más usados son:

Acero

Acero inoxidable

Cobre

Plástico

Las tuberías de plástico han tenido gran auge en el país por su valor económico, y

durabilidad, aunque hay algunas consideraciones que se deben tomar en cuenta cuando se realiza

una instalación de aire comprimido.

33

Se recomiendan para trabajar con presiones inferior a 12,5 bar y una temperatura que oscile

entre -20 ºC y 20 ºC y para trabajar hasta en 50 ºC, pero con presiones inferiores a 8 bar. Además

de esto el material no debe ser sobrecalentado para realizar algún dobles en la instalación y no se

puede instalar cerca de fuentes de calor.

Por normas internacionales las tuberías que llevan aire comprimido deben de tener la

rotulación que se muestra en la siguiente tabla 2.3.

Tabla 2.1. Rotulación de tuberías de aire comprimido

Color base Azul

Franja amarilla Aire ≤ 7 ATM. Para servicios generales

2 x Franjas amarillas Aire ≤ 7 ATM. Para instrumentación

Franja roja Aire entre > 7 ATM y ≤ 10 ATM

2 x Franjas rojas Aire > 10 ATM

Franja marrón Aire con aceite lubricante

2.2.4.8. Caídas de presión aceptadas

Las caídas de presión que puede tener una red de aire comprimido van de la mano de las

dimensiones de las tuberías y los accesorios que se colocan en la misma, esto nos da una idea de

las caídas de presión aceptables en cada una de las secciones de la red.

Estas caídas vienen unidas a dos factores principales el primero de ellos, todos los equipos

neumáticos y máquinas están diseñadas para trabajar con mayor rendimiento a una presión de 6

bar y segundo los compresores industriales trabajan mayormente a 7 u 8 bar, estos factores son los

principales limitantes para tomar en cuenta las siguientes caídas de presión:

Presión a la salida del compresor: 7 bar

Línea principal y de distribución:0.07 (bar)

Línea de servicio 0.03 (bar)

Filtros: 0.3 (bar)

Accesorios de la línea 0.6 (bar)

En la herramienta o punto de uso: 6 (bar) presión efectiva

34

2.2.4.9. Ventilación de la sala de compresores

Un factor importante cuando se elabora el diseño de una red de aire comprimido es la sala

de compresores, en ella se encuentran todos los equipos que abastecen la red y también los equipos

de acondicionamiento del aire, por lo que es de gran importancia mantener la sala a una temperatura

dentro de los límites de operación de cada uno de los equipos.

La empresa Atlas Copco usa la siguiente correlación para el cálculo de la ventilación en

aire fresco que debe de tener la sala de compresores en función de los equipos, esta ecuación 2.7

deriva de la primera ley de la termodinámica, en donde se contempla el calor que producen los

equipos de acuerdo a la potencia que manejan.

𝑞𝑣 =𝐶

𝐶𝑝×∆𝑇×𝑑× 𝜓 n 2.2

donde:

𝑞𝑣= Caudal de aire de ventilación

𝐶= Flujo térmico en la sala de compresores

∆𝑇= Aumento permitido de temperatura

𝐶𝑝= Capacidad calórica del aire. 1,006 kJ/kg x K (a 1 bar y 20°C)

𝑑= densidad del aire

𝜓=Factor de seguridad de 10%

2.2.4.10. Tipos de arreglo de la red de aire comprimido

La red de aire comprimido se puede organizar de dos maneras en función del lugar en donde

se requiera su uso y la disposición de las maquinas, además de esto depende también de los equipos

de acondicionamiento que se coloquen a la salida del compresor como es caso de una secadora

frigorífica, los dos arreglos son abierto y cerrado o anillo.

35

2.2.4.10.1 Arreglo Abierto

En este modelo de red se tiene que la alimentación va de la línea principal a la de

distribución y luego a la de servicio en un solo recorrido, tiene una ventaja que es que la línea

mantiene una sola dirección de recorrido a lo largo de la red, por lo que los equipos de filtrado que

se coloquen en cualquier punto de la red funcionaran adecuadamente porque no existe la

posibilidad de retorno en la dirección del flujo del aire.

Así mismo este tipo de arreglo posee una desventaja cuando se debe realizar un

mantenimiento en una línea o cuando ocurre un imprevisto en algún punto de la red de distribución,

ya que todo el sistema aguas debajo de la falla presenta fallas en el suministro de aire. A

continuación, se muestra un ejemplo de un arreglo de red abierta en la figura 2.7.

Figura 2. 7. Arreglo de una red de aire comprimido abierta (Royo, 1997)

36

2.2.4.10.2. Arreglo Cerrado

En este modelo de red se tiene que la alimentación viene dada por un anillo formado por la

línea principal o de distribución, que luego descarga en las líneas de servicios, posee la

característica de poder cerrar cada tramo que se desee y aun así llega aire aguas abajo de la falla.

Un punto en contra de este sistema de arreglo es la inversión inicial elevada ya que se debe realizar

un recorrido cerrando en toda la planta y a su vez las líneas de distribución deben de cerrar el

circuito también. Otro aspecto negativo es que no se pueden colocar equipos de filtrado en varios

puntos de los anillos principales ya que, dependiendo de las demandas de consumo entre los puntos

de uso, puede cambiar la dirección del flujo de aire en los anillos. En la figura 2.8 se muestra un

ejemplo de una red cerrada.

Figura 2. 8. Arreglo de una red de aire comprimido cerrada (Royo, 1997)

37

CAPÍTULO III

DISEÑO DE LA RED DE AIRE COMPRIMIDO

En este capítulo se presenta la metodología realizada para el diseño de la red de aire

comprimido de la planta, la cual consta de las siguientes etapas; levantamiento de la información,

conceptualización de la red, evaluación de los equipos actuales, evaluación del anillo de

distribución instalado, diseño de planos de la red de aire comprimido, cálculo de accesorios y

uniones para su construcción,

3.1 Levantamiento de la información

3.1.1. Información de la sala de compresores

La sala de compresores está constituida por diversos equipos, los cuales generan y

acondicionan el aire comprimido necesario para el funcionamiento de las líneas de producción de

la planta. En este sentido, a continuación, se presentan los principales datos técnicos extraídos de

los manuales de operación y hojas técnicas de los fabricantes de cada equipo.

3.1.1.1. Compresor

Actualmente la empresa posee una unidad compresora de marca Atlas Copco, la cual se

prevée que surta toda la red de aire comprimido, a continuación, se presenta la tabla 3.1 de

especificaciones técnicas del compresor.

38

Tabla 3.1. Datos tecnicos del compresor

Marca Atlas Copco

Modelo GA 55 VSD

Frecuencia (Hz) 60

Presión de efectiva trabajo (bar) 7

Presión máxima de trabajo (bar) 8

Capacidad FAD mínima (l/s) 26

Capacidad FAD máxima (l/s) 175

Conexión de salida (pulgadas) 2 ½

Temperatura de aire en válvula de salida (ºC) +10 temperatura

ambiental

Potencia Instalada del motor (Kw) 55

Nivel Sonoro (dB-A) 69

Peso (kg) 1380

3.1.1.2. Secadora

Es el equipo encargado de retirar la humedad restante luego de la expansión en el depósito

de aire comprimido y los cambios de diámetros de los filtros, este modelo en particular es una

secadora frigorífica, posee el mismo principio de funcionamiento de una nevera. En la tabla 3.2 se

pueden apreciar los datos técnicos de operación de la misma.

Tabla 3.2. Datos tecnicos de la secadora

Marca Atlas Copco

Modelo FD 185

Frecuencia (Hz) 60


Caudal Volumétrico entrada (l/s) 185

Caída de presión sin filtro (bar) 0

Presión nominal de entrada de aire (bar) 7

Presión máxima de entrada de aire (bar) 14

Temperatura de entrada de aire referencia (ºC) 35

Temperatura de entrada de aire máxima (ºC) 60

Temperatura de entrada de aire mínima (ºC) 1

Temperatura aire ambiente referencia (ºC) 25

Temperatura aire ambiente mínima (ºC) 1

Temperatura aire ambiente máxima (ºC) 50

39

3.1.1.3. Separador de agua

El separador es el dispositivo que se encarga de drenar el agua de condensado en el anillo

principal de distribución, a lo largo de esta red se colocaran dos dispositivos de este modelo. En la

tabla 3.3 se aprecian las características de este equipo.

Tabla 3.3. Datos tecnicos del separador de agua

Marca Atlas Copco

Modelo WSD 250

Presión de aire a la entrada (bar) 7

Presión de aire a la entrada máxima (bar) 16

Presión de aire a la entrada mínima (bar) 1

Temperatura de aire a la entrada (ºC) 30

Temperatura de aire a la entrada máxima (ºC) 70

Caudal de entrada mínimo (l/s) 125

Caudal de entrada máximo (l/s) 350

Caída de presión a caudal mínima (bar) 0

Caída de presión a caudal máxima (bar) 0


Peso (kg) 13

3.1.1.4. Tanque de depósito de Aire Comprimido

El tanque de depósito que se posee es un cilindro vertical de 1000 L, como se puede apreciar

en la tabla 3.4 sus dimensiones lo hacen fácil de colocar dentro de la estructura de una sala de

compresores o incluso en un área de producción.

Tabla 3.4. Datos tecnicos del deposito de aire comprimido

Marca

Atlas Copco

Diámetro de Conexiones

instrumentación (Pulgadas)

3/4 Diámetro de conexión de

salida (Pulgadas)

3

Presión de operación (bar) 10 Volumen (l) 1000

Presión de diseño (bar) 12 Peso (kg) 454

Diámetro de conexión de

entrada (Pulgadas)

3 Altura (cm) 217

Diámetro Externo (cm) 69

40

3.1.1.5. Filtros de condensado grueso y fino

El filtro de condesado grueso es la primera barrera que posee el sistema para purificar el

aire comprimido este equipo cuenta con una capacidad de filtrado en solido de 1 micrómetro, en la

tabla 3.5 se pueden apreciar las demás capacidades de filtrado del este filtro DD175.

Tabla 3.5 . Datos tecnicos del filtro de condensado grueso

Marca Atlas Copco

Modelo DD 175

Presión máxima de operación (bar) 16

Presión mínima de operación (bar) 1

Diámetro de Conexiones (Pulgada) NPT 1 1/2

Capacidad de trabajo a 7 bar (l/s) 175

Filtrado de aceite (mg/m3) 0.1

Filtrado de agua (mg/m3) 0.1

Filtrado de solidos (µm) 1

Caída de presión mínima (bar) 0.05

3.1.1.6. Filtro de condensado fino

El filtro de condensado fino es la segunda barrera de acción para la retención de partículas,

este filtro tiene la capacidad de filtrar partículas sólidas hasta de 0.1 micrón, además de esto tiene

el potencial de purificar el aire de condensado de aceita hasta 0.01 mg/m3. En la tabla 3.6 se pueden

apreciar las demás características de funcionamiento del filtro PD175.

Tabla 3.6 . Datos tecnicos del filtro de condensado fino

Marca Atlas Copco

Modelo PD 175

Presión máxima de operación (bar) 16

Presión mínima de operación (bar) 1

Diámetro de Conexiones (Pulgada) NPT 1 1/2

Capacidad de trabajo a 7 bar (l/s) 175

Filtrado de aceite (mg/m3) 0.01

Filtrado de agua (mg/m3) 0.01

Filtrado de solidos (µm) 0.01

Caída de presión mínima (bar) 0.08

41

3.1.2. Datos técnicos de las líneas de producción

La empresa Industrias Cima Care tiene como objetivo el procesamiento de algodón

cosmético, en la actualidad se poseen 3 líneas de producción de algodón las cuales requieren dos

servicios críticos para su operación como lo son el aire comprimido y el suministro eléctrico. El

alcance de este libro es evaluar y diseñar cómo suministrar el aire comprimido desde la sala de

compresores hasta los puntos de uso.

3.1.2.1. Línea 1 – Zig-Zag

Esta máquina tiene la capacidad de realizar pre-cortes en una banda de algodón para

producir rectángulos de algodón plegados de uso familiar. El aire comprimido ayuda a mover

diferentes cilindros de aire y válvulas que procesan el algodón a lo largo de la máquina. En la tabla

3.7 se pueden observar las especificaciones de la línea.

Tabla 3.7. Datos técnicos y requerimientos de la línea 1

Línea 1 Zig Zag

Máquina Convertidora Empaquetadora

Fases 3 3

Voltaje 480 480

Potencia (kW) 0.37 4.00

Potencia (Hp) 0.46 5.00

Aire Comprimido (l/m) 10.0 7.0

Diámetro entrada Aire (mm) 8 8

Presión de entrada de aire (bar) 6 6

Calidad de aire

Partículas 4

Condensado 5

Aceite 2

Drenaje No No

(Industrias Cima Care ICC C.A., 2015)

42

3.1.2.2. Línea 2 – Motas

Esta máquina transforma las mechas de algodón mediante la fricción producida entre una

banda transportadora y canales que guían el material a través de las mismas hasta formar las bolas

de algodón de alrededor de 1 pulgada de diámetro. En la tabla 3.8 podemos observar los

requerimientos de la línea 2, en donde el aire comprimido juega un papel importante para impulsar

diversos cilindros que ayudan a fabricar las motas y luego las empacan.

Tabla 3.8. Datos técnicos y requerimientos de la linea 2

Línea 2 Motas

Máquina Convertidora Empaquetadora

Fases 3 3

Voltaje 480/220 480/220

Potencia (kW) 15.20

Potencia (kWA) 19.00

Aire Comprimido (l/m) 36.0 -



Calidad de aire

Partículas 4

Condensado 5

Aceite 2

Drenaje No No


3.1.2.3. Línea 3 – Hisopos

Esta línea conformada por dos máquinas visualmente separadas, realizan la fabricación del

hisopo (máquina Convertidora) y la empaquetadora en diferentes presentaciones del hisopo. La

máquina que consume mayor cantidad de aire comprimido es la empaquetadora debido a la gran

cantidad de cilindros neumáticos que realizan el empaquetado primario del producto en pequeños

estuches de cartón, como se puede apreciar en la tabla 3.9.

43


Línea 3 Hisopos

Maquina Convertidora Empaquetadora

Voltaje 220 220

Potencia (kW) 7.00 5.00

Potencia (kWA) 8.75 6.25

Aire Comprimido (l/m) 10.0 450.0



Calidad de aire

Partículas 4

Condensado 5

Aceite 2

Drenaje Si No


3.1.2.4. Línea 4 - Cosméticos

Por políticas internas de la empresa Industrias Cima Care ICC C.A. en términos de

confidencialidad solo se pueden suministrar los siguientes datos de la línea 4. Cabe destacar que

esta línea de producción necesita un aire con mayor pureza debido a las operaciones que en la línea

se realizan.


Línea 4 Cosméticos

Fabricación Empacado

Aire Comprimido (l/s) 20 30.56

Presión de entrada

de aire (bar) 6 6

Calidad de aire

Partículas 2 4

Condensado 1 5

Aceite 0* 2

Drenaje Si Si

* (Parker Hannifin Corporation, 2016) (Industrias Cima Care ICC C.A., 2015)

44

3.1.3. Información Civil

En esta sección se presenta la información referida al ámbito civil de la planta, como

ubicación de la sala de compresores, ubicación de los puntos de consumo, así como también la

primera etapa de la red de aire comprimido (ya instalada). En la figura 3.1 se puede ver el plano en

planta del galpón, en el cual se distinguen en color magenta (L1; L2; L3; L4-F; L4-A) las zonas

donde están ubicadas las líneas de producción y por ende los puntos de consumo de aire

comprimido. En ella se puede apreciar que la línea 4, o cosméticos tiene dos secciones, la sección

de acondicionamiento requiere una calidad de aire 4-5-2 y la sección de fabricación que requiere

calidad de aire 2-1-1.

Figura 3. 1. Distribucion de la planta

45

3.1.3.1. Anillo de distribución Principal

Actualmente en se encuentra instalado un anillo principal de distribución con diferentes

conexiones de salida, el diámetro del mismo es de 75mm en tubería de Polipropileno Aleatorio

(PPR). Dicho anillo tiene la tarea de llevar el aire comprimido a todas las líneas de producción de

la planta. En la figura 3.2 se puede apreciar el anillo instalado actualmente en color azul.

Figura 3. 2. Anillo Principal de distribución de la red de aire comprimido

46

3.1.3.2. Sala de compresores

La sala de compresores de la planta está ubicada en una Mezzanina cerrada donde se

encuentran además de los equipos de la red de aire comprimido, 2 unidades manejadoras de aire

de 20 y 7.5 toneladas de refrigeración, los tableros eléctricos principales, 2 transformadores de

voltaje: el primero de 300KVA y otro de 15 KVA. Como se puede apreciar en la figura 3.2 el

espacio para el compresor y los equipos de acondicionamiento del aire de la red es reducido el cual

posee una altura al techo de 2.5m.

Figura 3. 3. Sala de compresores

47

3.2. Análisis preliminar de los equipos y la obra civil

Luego de revisar con detalle los equipos que se poseen en la planta y el arreglo inicial que

posee la red de aire comprimido se presentan los siguientes inconvenientes:

La red de aire comprimido inicialmente debe surtir de aire a todas las líneas de

producción de la planta, pero debido al nivel de pureza requerido por la línea 4 de cosméticos se

debe realizar un estudio para determinar si colocando accesorios de acondicionamiento del aire se

puede llegar al nivel de pureza requerido.

Las conexiones de entrada de los filtros de línea de la sala de compresores, poseen un

diámetro inferior (ᴓ 1 ½”) al diámetro de los equipos restantes de la sala de compresores

(Compresor y Secadora, ᴓ 2 ½”) lo que provocara una caída de presión mayor a la estipulada por

el filtro; debido al acople del anillo en reducción que hay que instalar para realizar dicha conexión.

Además, se va a producir un condesado a la salida de los filtros, al transformar nuevamente la

sección de tubería al diámetro (ᴓ 2 ½”) del anillo principal.

Debido a la cantidad de equipos que se encuentran en la sala de compresores, se debe

plantear una opción de ventilación para que el compresor y la secadora operen a una temperatura

óptima, y no se sobrecalienten debido a la elevada temperatura que pueda tener el aire de

aspiración.

3.3. Conceptualización de la red de distribución

La red de aire comprimido se constituye de 3 secciones, el anillo principal, las tuberías

secundarias o de distribución a salas y las tuberías de servicio, que son las que van a la máquina.

Luego de analizar las distancias desde los puntos de uso hasta la sala de compresores, se realizaron

las siguientes propuestas para la red. Destacando que el alcance de este libro es presentar la red

para el suministro de aire comprimido a las líneas 1, 2 y 3 de algodón.

48

3.3.1. Propuesta 1 de red de distribución

En esta propuesta se parte del anillo principal ya instalado y se deriva con manguera

neumática desde la tubería principal hasta los puntos de suministro de la máquina como se puede

ver en la figura 3.3, eliminando así las tuberías secundarias. De esta manera se reducen costo de

mano de obra y materiales a utilizar para la instalación.

Figura 3. 4. Propuesta 1 de la red de aire comprimido


Para esta propuesta se planteó la instalación de una tubería secundaria para cada punto de

distribución para disminuir la cantidad de manguera neumática a utilizar evitar así posibilidades de

ruptura de la misma por estar expuesta en la Mezzanina de la planta. Como se puede ver en la figura

3.5 en esta propuesta la tubería secundaria es una red abierta que al final de la misma se conecta

con la manguera de distribución a la máquina.


49


En esta tercera versión de la red se planteó una red cerrada para cada punto de distribución

(ver figura 3.6), utilizando anillos para igualar presiones a todo lo largo de la tubería secundaria y

también utilizar esta nueva distribución para colocar puntos de recolección de condensado en cada

anillo y así colocar una seguridad extra al eliminar un posible condensado antes de alcanzar el

punto de entrada a las máquinas.


3.3.4. Propuesta 4 de red de distribución y suministro

Este caso corresponde a la propuesta 3 mejorada (ver figura 3.7) por contar con una

protección adicional para el condensado de agua de la red, y la incorporación de una válvula para

paradas de emergencia o cuando se necesite cortar el suministro de aire a la máquina por

mantenimiento, todo dentro de la misma sala de operación.

50

Figura 3. 7. Propuesta de distribución y línea de servicio

En la tabla 3.11 de ventajas y desventajas de las propuestas podemos observar como la

propuesta 4 posee características más favorables para su construcción en función a los demás casos,

en contraparte solo tiene un ítem en contra, el costo de construir esta red es elevado, ya que se

necesitan muchas más conexiones y tuberías.

51

Tabla 3.11. Ventajas y desventajas de propuestas de la Red de aire comprimido

Propuesta Propuesta 1 Propuesta 2 Propuesta 3 Propuesta 4

Descripcion

Se deriva del

anillo principal

con manguera

directo a la

maquina

Se deriva con

tuberia secundaria

rigida y luego con

manguera

Se deriva con

tuberia rigida y se

forma un anillo de

distribucion y

luego finaliza con

tramo corto de

manguera

Derivacion con

tuberia rigida y

colocacion de

valvulas de

seguridad y

servicio

VENTAJAS

Costo Bajo Bajo Alto Alto

Igualdad de

presiones en la la

linea

No No Si Si

Drenaje de

condensado No Si Si Si

Capacidad de

expasion futura No No Si Si

Valvula de

servicio No No No Si

Valvula de

seguridad No No No Si

3.3.5. Propuesta de red de aire comprimido para cosméticos

Debido a la diferencia de calidad de aire que se requiere para una sección de las máquinas

de la línea 4 de cosméticos se plantea la siguiente solución, construir un segundo anillo para la

distribución de aire en el área de cosmético que necesite una calidad mayor de aire, y conectarla a

un compresor que le suministre aire libre de aceite, como se puede ver en la figura 3.8 los dos

anillos trabajaran de forma simultanea cada una para una sección en especifica de uso.

52

Figura 3. 8. Propuesta de dos anillos de distribución

El compresor que se conecte a esta red debe ser un compresor libre de aceite, según las

especificaciones de diferentes fabricantes se propone colocar un compresor Atlas Copco AQ30

VSD (ver figura 3.9) este compresor posee un tornillo refrigerado por agua y está diseñado

específicamente para usos libres de aceite, este modelo en específico tiene una capacidad de entrega

de aire de 22-83 l/s lo que significa que el compresor trabaja solo un 20% de su caudal máximo

nominal. (Atlas Copco, 2015)

Figura 3. 9. Compresor serie AQ Atlas Copco (Atlas Copco, 2015)

Anillo con aceite

Anillo libre de aceite

53

CAPÍTULO IV

PROPUESTA DE RED DE AIRE COMPRIMIDO

De la conceptualización del capítulo anterior podemos definir que la red que se va a

construir será la propuesta 3 y que se separa el suministro a la segunda sección de la línea de

cosméticos para garantizar la calidad del aire. Todos los valores y cálculos de este capítulo son

exclusivos para el anillo de principal que suministra aire con aceite.

4.1. Calculo de Capacidad de aire requerido

Para el cálculo de la capacidad de aire requerido se usaron las tablas de requerimientos de

todas las líneas de producción de la planta y se llegó a la tabla 4.1 de la cual se puede apreciar que

la capacidad teórica del aire requerido es de 39, 12 l/s.

Tabla 4.1. Capacidad teorica de aire requerido

Línea Aire Comp. (L/s)

1 - Clinejas 0.17

0.13

2 - Motas 0.60

-

3 - Hisopos 0.17

7.50

4 - Cosméticos 30.56

Total Teórico 39.12

Ya con el valor de la capacidad teórica se pasa a calcular el valor real contemplando los

factores de uso, simultaneidad, expansión y fuga. Tomando en consideración el apartado de los

factores de simultaneidad y uso expuestos en el capítulo 2 y las ecuaciones 2.3 y 2.4, se calculó la

capacidad de aire requerida por el sistema la cual es de 61.02 l/s presente en la tabla 4.2.

54

Tabla 4.2. Capacidad real de aire requerido

Total de capacidad teórica (l/s) 39.12

Factor de simultaneidad 100%

Factor de uso 100%

Factor de expansión 30%

Factor de fuga 20%

Capacidad de aire requerido (l/s) 61.02

4.2. Evaluación de capacidad del compresor

Una vez determinada la capacidad de aire requerida por la red de aire comprimido podemos

pasar a verificar si el compresor que se tiene para instalar cumple con las necesidades de la red.

Con una simple inspección de los valores se puede comprobar que el compresor de tornillo

Atlas Copco GA 55 VSD cumple con los requerimientos de la red de aire comprimido y mantiene

un consumo de 34.87% (ver tabla 4.3), lo que garantiza que el correcto funcionamiento del mismo

ya que según las buenas prácticas para la ingeniería, un compresor no debe utilizarse a más del

80% de su capacidad instalada.

Presión

Caudal

Tabla 4.3. Verificacion del compresor

Compresor Líneas Verificación

Presión de trabajo (bar) 7 6 OK

Caudal (l/s) 175 61.02 OK

Debido al poco consumo de aire en se puede tener un factor de crecimiento en la planta hasta

del 200% y aun así mantener el consumo del compresor en 140 l/s.

55

4.3. Evaluación del depósito de aire

El depósito de aire tiene una característica principal para su funcionamiento y es el tiempo

de autonomía que entrega, este valor viene dado en función de las dimensiones del mismo, en la

siguiente sección se muestran los cálculos que se realizaron para determinarlo.

4.3.1. Dimensiones del depósito

Debido a que la planta no está en funcionamiento al momento de la realización de este

trabajo, no se pudo determinar si la capacidad del depósito de aire cumple los rangos correctos de

operación para picos de carga en el sistema, pero se pudo estimar el tiempo de vaciado según el

máximo uso de las líneas, para determinar la autonomía que tiene la planta en caso de una falla o

parada del compresor.

También se tienen las dimensiones mínimas según la directiva 97/23/CE y 87/404/CE las

cuales requieren que el recipiente a presión que se conecte al compresor sea mayor de 62 litros, y

su temperatura de funcionamiento sea entre -10ºC y 120ºC, por lo que podemos confirmar que el

volumen del tanque que se posee en estos momentos (1000 litros) cumple con dichas directivas y

funciona dentro de las temperaturas máximas y mínimas.

4.3.2. Tiempo de autonomía del depósito

De la ecuación 2.3 de las dimensiones y cálculo del volumen del depósito se puede calcular

la autonomía del tanque al momento de una parada del compresor. Para esto se toman los siguientes

datos:

La presión de operación de las maquinas es de 6 bar por lo que el P2 de la ecuación se

tomara como ese valor.

𝑡 =(𝑃1 − 𝑃2) × 𝑉

𝑞=

(7 − 6) × 1000

46,94

𝑡 = 21,30 𝑠

56

Debido a este valor del tiempo de autonomía tan bajo se puede inferir que el deposito no

estuvo previsto como un tanque que ofreciera autonomía a la plantan durante una parada repentina

del compresor, sino como una trampa de agua y condesando debido a la gran expansión que tiene

el aire al entrar al depósito. Esto también debido a que el compresor que se posee actualmente en

la planta es un compresor VSD lo que permite cambios de velocidad en el tornillo en función de la

demanda.

Aunado a lo anterior en caso de falla de suministro de aire comprimido el poco tiempo de

autonomía no es crítico para la operación segura de parada, ya que las maquinas no tienen protocolo

con pasos de parada segura.

4.4. Evaluación de la secadora

A partir de la ecuación y los valores de punto de roció presión de trabajo y temperatura

ambiental se puede determinar el valor real de caudal que manejara la secadora, estos valores

fueron obtenidos de la hoja técnica de la secadora.

El valor de factor K se obtiene de la Figura 1.2 con los siguientes datos:

Qnominal: 170 l/s

Temperatura de entrada: 40ºC

Temperatura ambiental: 30ºC

Punto de rocío: 3ºC

K: 0.73

𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙 = 175 × 0.73

𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙 = 127,75 𝑙/𝑠

Ya con el valor de K se calcula el valor real del caudal de la secadora y es de 127.75 l/s

cumpliendo así con los requerimientos de caudal de la red.

57

Para el cálculo de la caída de presión de real de la secadora se usa la ecuación 2.3 y los

valores de:

ΔP nominal: 0.22 bar

Preal de trabajo: 7 bar

∆𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 0.22 × (127.75

170)

2

× (8

7)

∆𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 0.134 𝑏𝑎𝑟

4.5. Propuesta de red de aire comprimido

Una vez seleccionada la propuesta 3 de anillos separados se procedió a hacer el diseño

detallado o ingeniería de detalle de la red de aire comprimido, comenzando por los planos, listado

de conexiones y evaluación económica o análisis de costo

4.5.1. Planos de la red

Según las ubicaciones de las líneas de producción dentro de la planta y tomando en cuenta

los beneficios que trae a una red de aire comprimido una geometría cerrada se planteó la siguiente

red de distribución, la cuenta con un anillo principal que estaba ya instalado (tubería matriz), y

diferentes anillos secundarios dentro de las salas de uso del aire comprimido. Previniendo así un

futuro crecimiento de las líneas de producción y nuevos puntos de uso dentro de las salas de

distribución.

A continuación, se presenta el diagrama de instrumentación y tuberías (PID por sus siglas

en ingles) de la red en la cual se puede visualizar el alcance de la misma y las distintas derivaciones

que existen en el anillo principal de distribución. Como se puede observar en la figura 4.1 en el

diagrama se pueden apreciar los 5 anillos de distribución para las líneas 1, 2, 3 y los anillos para la

zonas de empaque secundario.

58

Figura 4. 1. Diagrama PID de la red de aire comprimido

59

Luego de haber estudiado detenidamente el diagrama PID con las conexiones que debe

tener la red de aire comprimido y visualizando todos los puntos de uso del aire, se presenta a

continuación en la figura 4.2 el plano de la red de aire.

Figura 4. 2. Plano de la red de aire comprimido (vista de planta)

60

La sala de compresores se planteó para que el recorrido de la tubería de aire comprimido

no interfiriera con el libre tránsito de las personas y los equipos en caso de necesitar moverlos de

su lugar de operación. Como se puede apreciar en la figura 4.3. se incorpora un segundo compresor

en la red para que sirva de equipo de respaldo cuando se necesiten hacer paradas por mantenimiento

del equipo principal.

Figura 4. 3. Plano de sala de compresores con equipos y tuberia

61

4.5.2. Lista de tuberías, conexiones y accesorios

Toda red de aire comprimido lleva una cantidad finita de accesorios y conexiones los cuales

están listados a continuación, siguiendo los diferentes recorridos y alturas a los que se debe amoldar

las tuberías.

Tabla 4.4. Lista de tuberias y accesorios para la instalacion de la red

Descripción Cantidad

Tubería de 75 mm 146 m



Válvula de 75 mm 9 unidades



Válvula de 25mm 2 unidades


Reductor de 75x50 mm 1 unidades




T de 75x75 mm 9 unidades




Codo 45º de 75mm 14 unidades

Codo 90º de 75 mm 7 unidades

Codo de 90º de 32 mm 16 unidades

Codo de 90º de 20 mm 12 unidades

4.6. Calculo de las Caídas de presión en la red diseñada

A continuación, se detallan los pasos para la determinación de la caída de presión de la red

de aire comprimido, diseñada desde el compresor hasta los puntos de consumo final de las

máquinas. Todas las tomas salientes de las tuberías principales deben tener una conexión tipo cisne

a la derivación, las perdidas inherentes a esta conexión en la salida se desprecian.

62

4.6.1. Perdidas por equipos de sala de compresores

En primer lugar, se calcularon las caídas de presión producidas por los equipos y tuberías

en la sala de compresores. Esto como paso inicial para saber la presión real que se suministra el

compresor a la red.

Tabla 4.5. Caídas de presión en la sala de compresores

Equipo ΔP(bar)

Secadora 0.22

Filtro Grueso 0.05

Filtro Fino 0.08

ΔP Total (bar) 0.35

Según los datos técnicos de cada equipo se pudo corroborar que la caída de presión en la

sala de compresores es de 0.35 bar, lo que de acuerdo con las caídas de presiones aceptables está

dentro del rango permitido que es de 1 bar.

Con la caída total de presión de la tabla 4.5 y la salida del compresor se calculó la presión

total que entrega la sala de compresores al sistema la cual está expuesta en la siguiente tabla.

Tabla 4.6. Presion de salida de la sala de compresores

Presión a la salida de la sala de compresores

Salida del compresor (bar) 7

Caída total (bar) 0.35

Presión de salida (bar) 6.65

4.6.2. Perdidas por la red de distribución

Las caídas de presión se tomarán en dos recorridos de la red, en sentido horario y anti-

horario, cada opción presenta el recorrido más y menos favorable del fluido. A continuación, se

presentan los resultados de los cálculos de caídas de presión debido a las tuberías y a los accesorios

que en ella están instalados. Se tomará como ejemplo visual para todas las líneas el recorrido de la

línea 1 y la figura 4.3.

63

4.6.2.1. Línea 1

En la figura 4.3 se puede apreciar el recorrido horario y anti horario que se tomó para el

cálculo de las perdidas.

Figura 4. 4. Recorrido del aire para el càlculo de perdidas de la línea 1

64

En la tabla 4.7 se presentan los recorridos y la conversión a longitudes equivalentes de los

accesorios para llegar al punto de uso de la línea 1. Además de esto se presenta el valor final de las

pérdidas para esta línea en donde en el caso más desfavorable es de 5.29E-05 bar.

Tabla 4.7. Resultado de perdidas en linea 1

Longitud total Línea 1

Presión Salida sala de compresores (bar) 6.65

Consumo línea (l/s) 0.29

Recorrido Horario

Tubería ф Interno (mm) 54.4 21.2

Longitud de Tubería (m) 117.53 13.83

L Equivalente Accesorios (m) 40.25 4.98

Total (m) 157.78 18.81

Caída de presión (bar) 2.27E-06 3.01E-05

ΔP Total (bar) 3.24E-05

Recorrido Anti-horario

tubería ф In 54.4 21.2



Total 12.26 32.93



4.6.2.2. Línea 2

En la tabla 4.8 se muestran los valores de perdidas creadas por los accesorios y la tubería

para la línea 2, en este caso el recorrido anti-horario es el menos favorable generando una pérdida

de 2.03E-04 bar.

65





Recorrido Horario

tubería ф In (mm) 54.4 21.2



Total (m) 146.43 22.01







Total 12.26 32.93



4.6.2.3. Línea 3

En este caso se presenta la línea 3, en la tabla 4.9 se puede ver como la pérdida de presión

se genera en el recorrido anti horario con una diferencial de presión de 1.03E-02 bar. Al igual que

las líneas 1 y 2 el recorrido anti-horario es el más desfavorable.





Recorrido Horario




Total (m) 134.17 11.93



66





Total (m) 34.67 14.73



4.6.2.4. Línea 4

Para el caso de la sección de la línea 4 que está incluida en este anillo (empacado) se tiene

que las pérdidas en los dos recorridos son cercanas a pesar de tener un orden de magnitud mayor

el recorrido anti-horario, como se puede apreciar en la tabla 4.10 en este caso la perdida mayor fue

para el recorrido horario y es de 1.00E-02 bar.

Tabla 4.10. Resultado de perdidas en linea



Consumo línea (/s) 30.56

Recorrido Horario


Longitud de Tubería (m) 71.21 0


Total (m) 91.47 3.02

Caída de presión (bar) 0.00726455 2.75E-03




Longitud de Tubería (m) 24.12 0


Total (m) 81.21 3.02



67

4.6.3. Cálculo de ventilación requerida en sala de compresores

A partir de la ecuación 2.7 se calcula el volumen del caudal necesario para ventilar la sala

de compresores.

𝑞𝑣 =𝐶

𝐶𝑝×∆𝑇×𝑑× 𝜓

El aumento máximo de temperatura viene dado en función de la temperatura máxima de

aire fresco permitida por el compresor y por la secadora. La temperatura ambiental de la sala de

compresores es de 30ºC y la temperatura máxima de entrada en el compresor es 46ºC, y para la

secadora este valor es de 50ºC. Según los datos proporcionados por expertos en el área, se prevée

que la temperatura de la sala de compresores no debe exceder los 40ºC.

El valor de C viene dado por la potencia suministrada al compresor, más el consumo

energético de la secadora. Por lo tanto, el resultado es el siguiente:

𝐶 = (55 + 2,3)𝑘𝑊 = 57.3𝑘𝑊

𝑞𝑣 =𝐶

𝐶𝑝 × ∆𝑇 × 𝑑× 𝜓 =

57.3

1.007 × 10 × 1,170× 1.1

𝑞𝑣 = 5.35 𝑚3

𝑠⁄

Debido a este valor de caudal de ventilación se generaron las siguientes propuestas de

ventilación:

Levantar el techo del área de la sala de compresores al menos 1 metro para asi, cumplir

con las recomendaciones de distancias que establece Atlas Copco para sus compresores. También

al levantar el techo dejar abierto los laterales para mayor ventilación colocando rejas a los lados.

La segunda propuesta es colocar rejas de ventilación en la pared perimetral de la sala

de compresores. Esta opción es la opción fue la que eligió debido a que luego de realizar un análisis

de costos resultaba más económica.

68

Como se puede apreciar en la figura 4.4 la reja de ventilación queda detrás del compresor

y aunado al ducto de descarga para el aire caliente del compresor se espera que sean suficientes

para mantener el área del compresor a una temperatura menor a 40ºC.

Las dimensiones del ducto de descarga y su curvatura fueron propuestos según la Guía de

Instalaciones Mecánicas del profesor Milton López, el ducto tiene una amplitud de 90 cm por 90

cm y una altura de 120 cm antes de la curva de descarga, dicha curvatura tiene una relación de

curvatura de R/D de 1.25 lo que se considera una relación óptima para minimizar las perdidas. En

el apéndice C y D se encuentra el plano de construcción y dimensiones del ducto.

Figura 4. 5. Conceptualización de reja de ventilación y ducto de descarga del compresor

69

CONCLUSIONES

Luego del estudio y cálculos para la red de aire comprimido de la empresa Cima Care ICC

C.A. se determinó lo siguiente.

La sala de compresores entrega un total 175 l/s a la red por lo que se puede tener un

porcentaje de crecimiento de 200% y aun así el compresor trabajaría al 80% de su capacidad

nominal. Este aire posee una calidad ISO 8573 2-1-1.

El compresor AQ30 VSD al igual que el compresor GA 55 VSD posee el sistema de

variación de velocidad lo que le permite ajustarse a los requerimientos del consumo inclusive en el

rango inferior de trabajo de 20 L/s. este equipo tiene la particularidad de entregar un aire libre de

aceite debido a su refrigeración por agua, lo que cumpliría con los requerimientos del fabricante de

la línea 4 de cosméticos.

Se eligió un arreglo de red cerrada para las áreas de producción y empaque de las líneas

1,2 y 3, para aprovechar los beneficios de este tipo de arreglo igualando presiones a lo largo del

anillo y colocar tuberías en función del posible crecimiento de la planta.

Se eligió la reja de ventilación para la sala de compresores en contraparte del

levantamiento del techo del área del compresor debido al análisis de costo ya que los materiales

para construir la reja se tenían en la planta.

Una vez arrancado el compresor y todos los equipos de la sala de compresores se debe

monitorear la temperatura de la sala para determinar si se necesita colocar ventilación forzada para

mantener una temperatura no mayor a 40ºC.

70

El uso de una relación de curvatura R/D de 1.25 en el ducto de descarga para el

compresor supone una relación optima por lo que el equipo no se sufrirá esfuerzos adicionales para

expulsar el aire caliente hacia el exterior de la sala de compresores.

La utilización de las derivaciones tipo cuello de cisne y la propuesta de la tubería de

distribución y de servicio genera un factor de seguridad mayor para evitar que llegue condensado

de agua a los puntos de utilización.

Las pérdidas generadas por la tubería y accesorios tienen 2 órdenes de magnitud

negativos por los que podrían despreciarse y corroborar que no hay pérdidas en la tubería desde la

sala de compresores hasta los puntos de uso, lo antes expuesto aunado a la que la tubería a instalar

será de Polipropileno aleatorio (PPR) supone una caída de presión aún menor debido poca

rugosidad que posee el PPR. Los cálculos de pérdidas fueron tomados para tuberías acero

galvanizado.

La colocación de los filtros en línea está luego de la secadora por recomendación del

fabricante Atlas Copco, pero se deberá tomar en cuenta el cambio de diámetro a la entrada del filtro

ya que puede generar condensado por lo que se recomienda colocar los filtros antes de la secadora

para que el condensado generado sea expulsado por la secadora frigorífica aguas abajo de los

filtros.

La ubicación del compresor en el plano tiene como objetivo fundamental usar la

estructura de las vigas del piso para que absorban las posibles vibraciones que el compresor pueda

generar, así como también de soportar el peso del mismo.

71

RECOMENDACIONES

Toda red de aire comprimido debe tener un compresor de respaldo para evitar paradas

indeseadas en la línea cuando el compresor este en mantenimiento o tenga una falla mecánica, este

es el único equipo por el cual se debe tener otro adicional de respaldo ya que en el caso de la

secadora son equipos mucho más duraderos y confiables, sus expectativas de uso van hasta los 15

años con un adecuado mantenimiento

Se recomienda crear un plan de mantenimiento rutinario para los equipos de la sala de

compresores que incluya el compresor, la secadora, los filtros, además de esto verificar

periódicamente el estado del depósito de aire.

Para una mayor facilidad en el manejo del compresor se recomienda la instalación de

un sistema SCADA para la adquisición de datos, monitoreo y control en tiempo real de la operación

del compresor.

Se debe colocar un termómetro para monitorear la temperatura de la sala de

compresores y verificar que la misma no suba de 40ºC.

Se recomienda la revisión física de condensado en las líneas de distribución para

verificar el estado de operación de la secadora y eliminar el condensado que pueda entrar a las

máquinas de producción.

72

REFERENCIAS

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sobre aire comprimido y su aplicacion en la industria. Caracas: Atlas Copco Venezula S.A.

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3. Atlas Copco. (2012). Atlas Copco Oil-injected rotary screw compressors. Amberes: Atlas

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4. Atlas Copco. (2015). ATLAS COPCO COMPRESSED AIR MANUAL. Wilrijk: Atlas

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6. Cassani, M. (17 de 07 de 2016). Marcelo Cassani's Blog. Obtenido de

https://marcelocassani.wordpress.com/2011/02/02/disenoinstalacionesdeaire/

7. Engineeringtoolbox.com. (06 de 09 de 2016). Obtenido de

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10. Majumdar, S. (1997). Sistemas neumaticos, Principios y funcionamiento. Mexico: McGraw

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12. Royo, E. C. (1997). Aire Comprimido Teoria y calculo de las instalaciones . Barcelona:

Gustavo Gili S.A.

13. Solé, A. C. (2007). Neumática e hidráulica. España: MARCOMBO.

73

APENDICES

Apendice A. Monograma para cálculo de caída de presión en tuberías (Abuchaibe, Rodriguez ,

Timperi, Morena , & Sanchez , 2013)

75

Apendice B. Tabla de accesorios para tuberías y perdidas (Atlas Copco, 2015)

76

Apendice C. Plano de consturccion del ducto de descarga del compresor

77

Apendice D. Plano de instalación del ducto de descarga y reja de ventilación

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