Generación y purificación del aire comprimido

Instituto Tecnológico de Culiacán Ingeniería Mecatrónica

M.C. Fabio Abel Aguirre Cerrillo


• Por que es importante el suministro de aire
• Conceptos básicos del aire comprimido.

• Contaminación del aire.

• Generación del aire.

• Redes de distribución.

• Unidades de mantenimiento.

• Clases de calidad de aire.


¿Quién dijo que el aire es gratis?
ENERGÍA
ENERGÍA USOS
USOS
GENERACIÓN
GENERACIÓN PREPARACIÓN
PREPARACIÓN DISTRIBUCIÓN
DISTRIBUCIÓN
ELÉCTRICA
ELÉCTRICA DIVERSOS
DIVERSOS

• Fuerza • Filtros • Sistema de •Equipo
Eléctrica •Compresores • Secadores Tubería / Red neumáticas

e d
ad
nid
r tu
aho n opo
rro
Gra


USOS Y GASTOS DEL AIRE COMPRIMIDO

Distribución promedio del uso del aire Distribución de gastos en el uso del
comprimido aire comprimido
15%
65%
6%

22%

13% 79%

Aire utilizado Costo de energía
Pérdidas en suministro Mantenimiento a equipo generador
Pérdidas en Depreciación del equipo
máquina


GASTO PROMEDIO DE UN COMPRESOR

Equipo : Compresor de 150 HP
Operación : Trabaja 24 h/día y 365 días/año

Cálculo :
Total gastos $ 1,200,000

Energía eléctrica (79%) $ 960,000
Mantenimiento (21%) $ 240,000
depreciación
refacciones
servicio 35% desperdicio promedio
Equivalente a
$ 420,000
264,000 pérdidas en la máquina
156,000 pérdidas en suministro


La utilización del aire comprimido y de sus propiedades como
medio de energía para producir un movimiento y un trabajo. el
aire se compone principalmente:

• Nitrógeno
• Oxigeno
• Otros gases
• Impurezas


PROBLEMAS AL COMPRIMIR EL AIRE

El aire a presión atmosférica contiene impurezas. al comprimir
el aire también se comprimen todas estas impurezas y
además se suman a ellas las partículas que vienen del propio
compresor .

Suciedad y partículas de polvo

Condensación del agua

Contaminación de aceite


Las partículas sólidas se presentan en forma de polvo:

140.000.000 de partículas
Carbón contaminantes en cada m3
negro

Materia 80% de esta contaminación
corrosiva es menor a 2 micrones

Partículas de La partícula mas pequeña que
desgaste podemos ver es de 45 micrones

Aire con partículas no mayor a 0.01 µm se considera
limpio para poder respirarlo


Promedio de polvo contenido en el aire
CONCENTRACION PROMEDIO DEL PARTICULA
PROMEDIO TAMAÑO DE MAYOR
MG/M3 PARTICULAS µm
µm
En provincia
- tiempo de lluvias 0,05 0,80 4,00
- tiempo de secas 0,15 2,00 25,00

Ciudades grandes
- áreas residenciales 0,40 7,00 60,00

- áreas industriales 0,75 20,00 100,00

Zonas industriales 3,00 60,00 1000,00
- talleres 1 a 10
- fundición 50 a 100
- cementeras 100 a 200
- desechos de hornos 1000 a 15000


TIPOS Y TAMAÑOS DE IMPUREZAS MAS
COMUNES


EFECTOS DE PARTICULAS EN UNA VALVULA


Contaminación de aceite

• También en el caso
de compresores
que trabajen sin
aceite
Aceite del
compresor

Aceite en forma de
aerosoles presentes
en el aire


Condensación de Agua

Agua siempre
... en forma de
presente en el aire...
humedad natural

Se libera agua cuando aire a +20°C con
el aire comprimido se 100% de saturation
enfria contiene 17,15 g
de agua por m3


Estos contaminantes son agentes
destructores del equipo neumático

Contaminación


Condensación de agua

Efectos en los elementos neumáticos:

• Hinchamiento de Congelación de
• los empaques los empaques

Congelación del Destrucción de
aire en las válvulas los empaques
Corrosión


Condensación de agua

Resultados:

Disminución del
• Decrece la tiempo de vida
• confiabilidad de
• funcionamiento

Velocidades
más lentas


La pureza del aire comprimido esta influenciada por

• La calidad del aire de aspiración
• El filtro de aspiración.
• El tipo de compresor
• Mantenimiento del compresor
• El separador de partículas sólidas
• Secador por refrigerante
• La red de distribución
• La unidad de mantenimiento
• Filtros y sacadores


Generación del aire comprimido

• Principio por mecánica de fluidos
Características:

•Altos caudales
•Bajas presiones
•Sin contaminación por lubricación
mecánica


Generación del aire comprimido

• Principio desplazamiento positivo

Características:

•Altas presiones
•Relativos bajos caudales
•Contaminación por partes
mecánicas lubricadas


ACUMULADOR – TANQUE
DEPOSITO DE AIRE

• Reduce las caídas de presión en la línea
• Sirve como respaldo de energía neumática
Tanque vertical
• Ayuda a eliminar la humedad

• Sistema de seguridad

Tanque horizontal


El tamaño acumulador depende de: Manómetro Termómetro
Válvula de cierre

Válvula limitadora

 Caudal de compresor.

 Cantidad de aire requerida por el sistema. Grifo

 Red de tuberías.

 Regulación del compresor

 Oscilación de la presión en el sistema. El acumulador se debe
instalar a la sombra


Entre el compresor y nuestro
acumulador es necesario contar
con un secador en frío


RED DE AIRE COMPRIMIDO

El material de la red de aire debe ser de un material con superficies lisas
preferentemente. Dependiendo de su longitud la red de distribución de aire
comprimido se aplica alguna de las siguientes configuraciones:

x

• Longitud corta • Longitudes largas
• Pocos elementos • Elementos indefinidos
• Caídas de presión • Estabiliza la presión


LA DISTRIBUCIÓN DEL AIRE

Una pendiente 1 al 2 % de
la longitud permite Cuello de ganso impide
concentrar los que por gravedad la
condensados humedad vaya hacía la
máquina

Trampa de
condensado para
desfogar la
humedad

La instalación área impide que la
humedad “trepe” hacía las máquinas


UNIDADES DE MANTENIMIENTO

• Filtro. Evita el paso de partículas indeseables y acumula condensados de
agua. Los hay para 40, 5, 1, 0.01 y 0.003 micras.

• Regulador. Mantiene la presión de salida constante independientemente de la
presión de entrada. Presiones de 0 a 15 bar.

• Lubricador. Por medio del aceite se reduce el desgaste, disminuyen las
perdidas por rozamiento y protección contra la corrosión ( 32 mm2 / seg = ISO
VG 32 )



• El tamaño de las unidades de mantenimiento depende del consumo del aire.
Si es demasiado pequeña pueden producirse oscilaciones de la presión y los
filtros quedan obstruidos demasiado pronto.

• Las unidades de mantenimiento montadas al principio de un sistema
neumático deben admitir un caudal mayor, ya que dichas unidades tienen que
encargarse de limpiar una mayor parte del aire.

• Tratándose de aire con aceite, la lubricación no deberá superar los 25 mg/mts3
( de 0.5 a 5 gotas / 1000 litros )

• De ser posible, los lubricadores deberán ser instalados inmediatamente antes
de los cilindros consumidores.



Filtro Lubricador

Regulador

• Unidad de mantenimiento básica

• Filtro de 40 o 5 micras.



Lubricador
Filtro
Aire lubricado

Regulador

Aire sin lubricar

Con un modulo de derivación antes del lubricador. El aire
lubricado es para los elementos de trabajo y el aire sin aceite es
para el mando de los elementos neumáticos o para aplicaciones
en donde no sea necesario la lubricación.



Filtro Lubricador

Presión de trabajo: 6 bar

Regulador

Parte de Mando: 3 a 4 bar

Con un modulo de derivación antes del lubricador y con presión
de mando regulada para 3 a 4 bar.



Regulador
Lubricador
5 Micras
Trabajo 6 bar

Filtro Filtro
Submicrónico
Mando 3 o 4 bar
1 Micra

Con filtro submicrónico de 1 micra.



Filtro
submicrónico
1 micra
Lubricador

Aire de
trabajo
lubricado
Filtro
regulador Válvula
5 micras de
corredera Aire de
mando
sin lubricar
Regulador


SECADORES
Punto de roció. Es la
temperatura a la que el
vapor se condensa.

Comprimir el aire Contenido humedad
3
g/m 1000
significa reducir su 500
100
volumen 50
a 100%
saturación
p = 1 bara
20

10
El aire comprimido no
5
puede contener tanta 1
a 100 %
saturación
agua como el aire 0.5
p=6 bara

0.1
atmosférico
-10 0 +10 20 30 40 50 60 70 80
Temperatura en
¦ C
Cuanta mas alta la temperatura del
aire, mayor es su concentración de
humedad.


SECADORES REFRIGERANTES

Principio:

A Aire comprimido con una
temperatura aprox. 30°C

B Intercambiador de calor

C Unidad refrigerante

D Purga de condensados


SECADORES DE MEMBRANA

Están compuestos por un haz de de fibras huecas permeables al
vapor y que está circundando de aire seco que no está sometido a
presión. El secado se produce a raíz de la diferencia parcial de
presión entre el aire húmedo en el interior de las fibras huecas y el
flujo en sentido contrario del aire seco. El sistema procura crear
un equilibrio entre la concentración de vapor de agua en ambos
lados de la membrana.



Principio de funcionamiento en detalle:

1 Aire sucio y húmedo entra por el filtro coalesente

2 Aceite y agua es retenida por el filtro y evacuada por la purga automática

3 Aire comprimido limpio y saturado entra al secador

4 El aire pasa por un paquete de membranas con fibras huecas

5 El vapor de agua se dispersa a través de las paredes de las membranas

6 Aire de purga (aire seco de la salida del secador)

7 El aire de purga en sentido contrario pasa sobre la superficie de las membranas
eliminando las moléculas de agua

8 Aire limpio y seco es suministrado por la salida del secador


SECADORES DE ADSORCIÓN

5 aire seco
filtro de salida 3 regeneración del
desecante por el
aire de purga

2 humedad es adsorbida 4 expansión de la línea
en la superficie del de presión a la presión
desecante atmosférica

6 humedad es 1 aire húmedo
evacuada del filtro de entrada
sistema


COMPARACION DE LOS
SECADORES

Secadores Secadores de Secadores de
Refrigerantes Adsorción Membrana

Punto de rocío +2°C -70°C -20°C
de la presión

Flujos Alto Medio/Alto Bajo
(500-20000 l/min) (55-1820 l/min) (50-340 l/min)

Categorías 4 1 3
aire limpio

Tamaño Grande Mediano Pequeño

Montaje? Cuarto de A pie de máquina A pie de máquina
compresores


SECADORES DE ADSORCIÓN

Secadores Secadores de Secadores de
Refrigerantes Adsorción Membrana

Beneficios -confiable -punto de rocío -no requiere
de la presión conexión
-no requiere constante eléctrica
desecante
-alta eficiecia -seguro en
-económico ambientes
-listo para conectar explosivos
-no requiere
aire de purga -PDP -70°C posible -no requiere
desecante
-Altos flujos


CLASES DE AIRE COMPRIMIDO
La calidad del aire comprimido es expresada en clases de acuerdo
a la norma ISO 8573-1. En dicha norma se establece el grado de
impurezas máximo en cada clase de calidad de aire.
Clase Tamaño de Punto de roció bajo Máximo contenido de
partículas µm presión aceite
1 0.1 -70 0.01
2 1 -40 0.1
3 5 -20 1.0
4 15 +3 5
5 40 +7 25
6 No especificado +10 No especificado
7 No especificado No definido No especificado

El aire recomendado para cilindros es 3.3.5


AIRE RECOMENDADO POR ISO

Aplicación Sólidos Agua Aceite

Aire para ventilación 3 5 3
Chumaceras con suspensión de aire 2 2 3
Aire para instrumentos 2 3 3
Motores de aire pesados 4 4-1 5
Turbinas de aire 2 2 3
Máquinas para zapatos y botas 4 4 5
Máquinas para piedras y vidrio 4 4 5

Limpieza de partes de máquinas 4 4 4
Edificación y construcción 4 5 5
Transporte de sustancias granuladas 3 4 3
Transporte de sustancias en polvo 2 3 2
Circuitos de potencia en fluídica 4 4 4
Sensores en fluídica 2 2-1 2
Máquinas de fundición 4 4 5

Transporte de comida y bebidas 2 3 1

Equipo manual en la industria 4 4-5 5-4


AIRE RECOMENDADO POR ISO

Aplicación Sólidos Agua Aceite

Máquinas herramientas 4 3 5
Minería 4 5 5

Máquinas empacadoras 4 3 3
Procesamientos fotográficos 1 1 1
Cilindros de aire comprimido 3 3 5
Reguladores de presión de precisión 3 2 3
Equipo para procesos 2 2 3
Martillos neumáticos 4 5-2 5

Equipo Sandblast - 3 3
Pistolas de aspersión 3 3-2 3

Máquinas para soldar 4 4 5
Plantas generales de aire 4 4 5


Fugas de Aire Comprimido

• Fuga se entiende como la pérdida de aire comprimido en zonas
no estancas a lo largo de un año pueden ser considerable
• Estanquidad equivale a fuga admisible 1x10-10mbar litro/seg.

• Prácticamente estanquidad entre 10-2 a 10-5 mbar litro/seg. Los
racores FESTO cumplen con dicho valor.

Diámetro del orificio de Perdida del aire Perdida de energía en
la fuga en mm comprimido(6 bar) en l/s KW
1 1.3 0.3
3 11.1 3.1
5 31.0 8.3


Fugas de Aire Comprimido

Equipo Fugas de aire %
Racores 26
Aparatos conectados a la red 18
Válvula de vías 12
Herramientas neumáticas 10
Tubería 8
Actuadores 1
Otros 25


Sugerencias para ahorrar

La perdida de presión debe ser:
1. Tubería principal 0.03
2. Tubería de distribución 0.03
3. Derivaciones 0.04
4. Secador 0.30
5. Filtro 0.40
6. Unidad de mantenimiento 0.60
Perdida total 1.40



• La red de tubería debe ser lo más corta posible y el diámetro de la
tubería debe ser el mas pequeño posible.

• Las tuberías que se instalen adicionalmente deben de provenir de
la fuente de aire comprimido y no de alguna derivación.



• Las unidades de mantenimiento deben montarse de modo
descentralizado y los mas cercano a los consumidores

• Utilizar cilindros de diámetro apropiado.

DNG-40-250-PPV-A DNG-50-250-PPV-A

Consumo por ciclo = 4.05 litros Consumo por ciclo = 6.30 litros

Relación de aire = 6.30 / 4.05 = 1.55

55 % gasto de aire en mal elección



• Hasta donde sea posible trabajar con la presión mínima posible.
Ejemplo: Se tiene un carga de 85 Kg a levantar. Que presión es
recomendable utilizar ?
DNG-50-250-PPV-A a 5 Bar  90 Kg
DNG-50-250-PPV-A a 6 Bar  108 Kg

DNG-50-250-PPV-A P1V1 = P2V2
El volumen de un DNG-50-250-PPV-A  0.9 litros a presión atmosférica por ciclo.

Para 5 Bar tenemos = 0.9 x 6 = 5.4 litros Para 6 Bar tenemos = 0.9 x 7 = 6.3 litros

Relación de aire = 6.3/5.4 = 1.16

16 % gasto de aire por mala regulación


• Las pistolas de chorro de aire para limpiar, soplar, eliminar
virutas, etc., aplicar solo una presión máxima de 2 bar.

• Es mas recomendable utilizar bloques de distribución que utilizar
varias conexiones en T a la vez por la perdida de presión además de
tener menos puntos posibles de fuga



• Siempre que sea posible utilizar solo cilindros de simple efecto ya
que estos cilindros solo consumen aire en el avance o retroceso.


Los cilindros de carrera larga (más de 150 mm) no funcionan no
funcionan en modalidad de simple efecto.
• En la medida que sea posible utilizar el regreso de los cilindros de
doble efecto utilizando un fuelle neumático.

2 Bar


• Si para el retroceso de un cilindro de doble efecto no se necesita
toda la fuerza, utilizar una presión de 4 en vez 6 Bar.
El volumen de un DNG-50-250-PPV-A  0.4107 litros a
presión atmosférica en su retroceso

Para 6 Bar tenemos = 0.4107 x 7 = 2.875 litros

Para 4 Bar tenemos = 0.4107 x 5 = 2.0535 litros

Relación de aire = 2.875/2.0535 = 1.40

40 % gasto de aire por mala regulación



• Utilizar el mando neumático solo si es indispensable

• Las válvulas deben montarse lo mas cerca posible de los cilindros

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