Diseño y cálculo de una red de aire

comprimido aplicado a un

taller

Astur González González Eduardo Lanza Noriega

¿Por qué usar un sistema neumático?El aire comprimido es la mayor fuente de potencia en la industria con

múltiples ventajas. Es segura, económica, fácil de transmitir, y adaptable. Su aplicación es muy

amplia para un gran número de industrias. Algunas aplicaciones son prácticamente imposibles con otros medios energéticos.

 Dentro del campo de la producción industrial, la neumática tiene una

aplicación creciente en las más variadas funciones, No sólo entra a formar parte en la construcción de máquinas, sino que va desde el uso doméstico hasta la utilización en la técnica de investigación nuclear, pasando por la producción industrial.

 La fuerza neumática puede realizar muchas funciones mejor y más

rápidamente, de forma más regular y sobre todo durante más tiempo sin sufrir los efectos de la fatiga que el trabajo manual.

   El costo del aire comprimido es relativamente económico frente a las

ventajas y la productividad que representa. No obstante, sustituir actividades manuales por dispositivos mecánicos y

neumáticos, sólo es un paso dentro del proceso de automatización de la producción industrial. Este paso está encaminado, al igual que otros muchos, a obtener el máximo provecho con un costo mínimo.

 La utilización de la máquina adecuada en cada caso será la forma de evitar

que la adquisición de costosos equipos encarezcan el producto de forma desproporcionada, pudiéndose dar el caso de que una máquina especial construida con elementos de serie y que se adapte exactamente a las necesidades del proceso de fabricación, resulte más económica que una máquina estándar.

  La energía neumática no es utilizable en todos los casos de automatización,

las posibilidades técnicas de la neumática están sometidas a ciertas limitaciones en lo que se refiere a fuerza, espacio, tiempo y velocidad en el proceso de la información. Esta tecnología tiene su ventaja más importante en la flexibilidad y variedad de aplicaciones en casi todas las ramas de la producción industrial.

 

 

Evolución en la técnica del aire comprimido El aire comprimido es una de las formas de energía más antiguas que conoce

el hombre y aprovecha para reforzar sus recursos físicos. El descubrimiento consciente del aire como medio se remonta a muchos

siglos, lo mismo que un trabajo más o menos consciente con dicho medio. De los antiguos griegos procede la expresión "Pneuma» que designa la

respiración, el viento y en filosofía también el alma. Como derivación de la palabra "Pneuma" se obtuvo entre otras cosas el concepto «Neumática» que trata los movimientos y procesos del aire.

 El primero del que sepamos con seguridad que se ocupó de la neumática, es

decir, de la utilización del aire comprimido como elemento de trabajo, fue el griego KTESIBIOS quien hace más de dos mil años construyó una catapulta de aire comprimido.

 Uno de los primeros libros acerca del empleo del aire comprimido como

energía procede del siglo I de nuestra era  y describe mecanismos accionados por medio de aire caliente.

 Aunque los rasgos básicos de la neumática se cuentan entre los más antiguos

conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta el siglo XVIII cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas.

 La primera transmisión neumática data de 1700, cuando el físico francés

Denis Papin empleó la fuerza de un molino de agua para comprimir aire que después se transportaba por tubos.

 Aproximadamente un siglo después, el inventor británico George Medhurst

obtuvo una patente para impulsar un motor mediante aire comprimido. Sin embargo la primera aplicación práctica del método suele atribuirse al

inventor británico George Law, quien en 1865 diseñó un taladro de roca en el que un pistón movido por aire hacía funcionar un martillo.

 El uso de este taladro se generalizó, y fue empleado en la perforación del

túnel ferroviario del Mont Cenis, en los Alpes, que se inauguró en 1871, y en el túnel de Hossac, en Massachussets (Estados Unidos), inaugurado en 1875.

 Otro avance significativo fue el freno de aire comprimido para trenes,

diseñado hacia 1868 por el inventor, ingeniero e industrial estadounidense George Westinghouse.

 Sólo desde aprox. 1950 podemos hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en los procesos de fabricación.

 Es cierto que con anterioridad ya existían algunas aplicaciones y ramos de explotación como por u ejemplo en la minería, en la industria de la construcción y en los ferrocarriles (con los frenos de aire comprimido), la irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se inició sin embargo hasta que llegó a hacerse más acuciante la exigencia de una automatización y racionalización en los  procesos de trabajo.

 A pesar de que esta técnica fue rechazada en un inicio, debido en la mayoría

de los casos a falta de conocimiento y de formación fueron ampliándose los diversos sectores de aplicación.

 En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotación industrial sin el

aire comprimido. Este es el motivo de que en los ramos industriales más variados se utilicen aparatos neumáticos.

 

¿Cuáles son las propiedades del aire comprimido que han contribuido a su popularidad?

 Abundante: Está disponible para su compresión prácticamente en todo el

mundo, en cantidades ilimitadas. Transportable: El aire comprimido puede ser fácilmente transportado por

tuberías, incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberías de retorno.

 Almacenable: No es preciso que un compresor permanezca continuamente

en servicio El aire comprimido puede almacenarse en depósitos y tomarse de éstos. Además, se puede transportar en recipientes (botellas).

 Temperatura: El aire comprimido es insensible a las variaciones de

temperatura; garantiza un trabajo seguro incluso a temperaturas extremas. 

 Limpio: El aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidad en

tuberías o elementos, no produce ningún ensuciamiento. Esto es muy importante, por ejemplo, en las industrias alimenticias, de la madera, textiles y del cuero.

Constitución de los elementos: La concepción de los elementos de trabajo es simple y, por tanto, de precio económico.

 Veloz: Es un medio de trabajo muy rápido y por eso permite obtener

velocidades de trabajo muy elevadas (la velocidad de trabajo de cilindros neumáticos pueden regularse sin escalones).

 A prueba de sobre- cargas: Las herramientas y elementos de trabajo

neumáticos pueden utilizarse hasta su parada completa sin riesgo alguno de sobrecargas. Para delimitar el campo de utilización de la neumática es preciso conocer también las propiedades adversas.

 Preparación: El aire comprimido debe ser preparado, antes de su utilización.

Es preciso eliminar impurezas y humedad (al objeto de evitar un desgaste prematuro de los componentes).

 Compresible: Como todos los gases el aire no tiene una forma determinada,

toma la forma del recipiente que los contiene o la de su ambiente, permite ser comprimido (compresión) o y tiene la tendencia a dilatarse (expansión). Con aire comprimido no es posible obtener para los émbolos velocidades uniformes y constantes.

 Volumen Variable: El volumen del aire varía en función de la temperatura

dilatándose al ser calentado y contrayéndose al ser enfriado. Fuerza: El aire comprimido es económico sólo hasta cierta fuerza.

Condicionado por la presión de servicio normalmente usual de 700 kPa (7 bar), el límite, también en función de la carrera y la velocidad, es de 20.000 a 30.000 N (2000 a 3000 kp).

 Ruido: El escape de aire produce ruido. No obstante, este problema ya se ha

resuelto en gran parte, gracias al desarrollo de materiales in sonorizantes.

Sistemas de aire comprimidoSe considera un sistema neumático a todo aquel que funciona en base a aire comprimido, ósea aire a presión superior a una atmósfera, el cual puede emplearse para empujar un pistón, como en una perforadora neumática, hacerse pasar por una pequeña turbina de aire para mover un eje, como en los instrumentos odontológicos o expandirse a través de una tobera para producir un chorro de alta velocidad, como en una pistola para pintar.

El aire comprimido suministra fuerza a las herramientas llamadas neumáticas, como perforadoras, martillos, remachadoras o taladros de roca. El aire comprimido también se emplea en las minas de carbón para evitar que se produzcan explosiones por las chispas de las herramientas eléctricas que hacen detonar las bolsas de grisú.

Una gran instalación neumática se compone de diferentes dispositivos sencillos de trabajo. La acción combinada de estos diferentes dispositivos forma el conjunto del mando neumático.

El suministro del aire comprimido para instalaciones neumáticas comprende los apartados siguientes:

Producción del aire comprimido mediante compresores.Acondicionamiento del aire comprimido para  las instalaciones neumáticas.Conducción del aire comprimido hacia los puntos de utilización.

 

Cálculo de una red de aire comprimido

En principio, se ha de levantar un plano acotado del taller, en donde debe instalarse la red de distribución de aire comprimido, situando los puntos de consumo de aire y anotando los mismos; también hay que localizar el lugar para el emplazamiento de la sala de compresores.

Se pretende montar un taller de pintura con los siguientes elementos:

Dos máquinas de pintura 2 x 1500 l / min.

Una lijadora 113 l / min.

Una pulidora 150 l / min.

Una sierra de vaivén 168 l / min.

Se quiere calcular la capacidad del compresor y el diámetro de la tubería que se desea instalar en el taller, de tal manera que no se pase de una pérdida de presión 0,10 kg / cm2. La temperatura del aire es 20ºC y el coeficiente de rugosidad para una tubería de acero es de 0,00015.

 

La red tiene una longitud de 280 m, comprende 6 piezas en T, 4 codos normales y una válvula de cierre.

Sierra

PinturaPintura

Lijadora

Compresor

Pulidora

PLANO DEL TALLER DE PINTURA

Sala del compresor

Herramientas utilizadas

Recomendaciones

Instalar la tubería con pendiente entre el 1 y el 3 %.

Instalar purgadores al final de cada línea.

Las bajadas deben ser desde la parte superior del tubo (cuello de cisne).

Es conveniente que el tubo desemboque en un punto de purga y la derivación a la máquina quede a 90º.

Suponemos un diámetro de tubería de 250 mm.

Calculamos el consumo de la instalación à Consumo à 2 x 1500 + 130 + 150 + 168= 3448 l / min. à 0.057 m3 / seg.

Aplicamos un factor de seguridad C = 1,25 à Consumo à 0,057 x 1,25 = 0.07 m3 / seg

Buscamos un compresor acorde a las características que tenemos:

Al ser uno de los primeros diseños, los compresores de pistón se encuentran entre los más versátiles y de mayor rendimiento.

• Gracias a su diseño sencillo y robusto y al principio de funcionamiento, los compresores de pistón son la mejor solución cuando se necesita aire comprimido en las más duras condiciones.

• Mantenimiento sencillo gracias a piezas fácilmente accesibles para realizar el servicio.

• Sin necesidad de un tratamiento especial (separación de aceite) ni filtrado de aceite ya que no hay contacto directo con éste.

• Mayor fiabilidad y vida útil gracias al menor riesgo de formación de condensado.

Cálculo de la longitud equivalente de las válvulas y codos:

Lval. = 120 x d2 / (d + 0,1) = 120 x 0,252 / (0,25 + 0,1) = 21.43 m

Lcod. = (2 / 3) x Lval. = 14.28 m

Cálculo del caudal del compresor:

(P + 1) x V1 = 1 x V2

(10 + 1) x V1 = 1 x 0,07 à V1 = 0.063 m3 / seg.

Cálculo de la velocidad:

v = Q / s = 0,02 / (π x r2)

Pérdidas de carga

5 válvulas x 21.43 m = 107.15 m

4 codos x 14.28 m = 57.12 m

Longitud total = 280 + 107.15 + 57.12 = 444.27 m

Peso específico del aire según presión y temperatura en el ábaco:

T = 20ºC y P = 10 kg / cm2 à δ = 13.24

Aplicamos la fórmula de D’Arcy para obtener el radio de la tubería:

ΔP = 2 x L x α x δ x v2 / (2 x r)

0.1 = 2 x 444.27 x 0.00015 x 13.24 x 0.0632 / (2 x 0.125)

0,10 > 0.03 para d = 250 mm

Así que, optamos por una tubería de 250 mm que es la que nos daría unas pérdidas de presión menores a las requeridas por la instalación.