Actualización y mejora del sistema de aire comprimido de Pastas...
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I
Facultad de Ingeniería.
Escuela de Ingeniería Mecánica.
ACTUALIZACIÓN Y MEJORA DEL SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO DE PASTAS CAPRI C.A.
Aldo Vega Blas Brando
Tutor Académico: Ing.Oscar Rodríguez
Tutor Industrial: Ing. Enrique Vasquez
Caracas, 21 de Abril del 2004.
I
DERECHOS DE AUTOR
Quienes Suscriben, en condición de autores del trabajo titulado “Actualización y
mejora del sistema de aire comprimido de Pastas Capri C.A.”, declaramos que:
Cedemos a título gratuito, y en forma pura y simple, ilimitada e irrevocable a la
Universidad Metropolitana, los derechos de autor de contenido patrimonial que
nos corresponden sobre el presente trabajo. Conforme a lo anterior, esta sesión
patrimonial sólo comprenderá el derecho para la Universidad de comunicar
públicamente la obra, divulgarla, publicarla o reproducirla en la oportunidad que
ella así lo estime conveniente, así como, la de salvaguardar nuestros intereses y
derechos que nos corresponden como autores de la obra antes señalada. La
Universidad en todo momento deberá indicar que la autoría o creación del
trabajo corresponde a nuestra persona, salvo los créditos que se deban hacer al
tutor o a cualquier tercero que haya colaborado o fuere hecho posible la
realización de la presente obra.
___________________ ___________________
Blas Brando Aldo Vega
C.I. 14.890.514 C.I. 14.775.266
En la ciudad de Caracas, a los 21 días del mes de Abril del año 2004.
II
APROBACIÓN
Consideramos que el Trabajo Final titulado:
ACTUALIZACIÓN Y MEJORA DEL SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO DE PASTAS CAPRI C.A.
Elaborado por los ciudadanos:
Aldo Vega
Blas Brando
Para optar al título de:
INGENIERO MECÁNICO
Reúne los requisitos exigidos por la Escuela de Ingeniería Mecánica de la
Universidad Metropolitana, y tiene méritos suficientes como para ser sometido a
la presentación y evaluación exhaustiva por parte del jurado examinador que se
designe.
En la ciudad de Caracas, a los 21 días del mes de Abril del año 2004.
__________________
Ing. Oscar Rodríguez
III
ACTA DE VEREDICTO Nosotros, los abajo firmantes, constituidos como jurado examinador y reunidos
en Caracas, el día 21 de Abril del 2004, con el propósito de evaluar el Trabajo
Final titulado
ACTUALIZACIÓN Y MEJORA DEL SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO DE PASTAS CAPRI C.A.
Presentado por los ciudadanos
Aldo Vega
Blas Brando Para optar al título de
INGENIERO MECÁNICO
Emitimos el siguiente veredicto:
Reprobado_____ Aprobado_____ Notable_____ Sobresaliente_____
Observaciones:
________________________________________________________________
________________________________________________________________
______________ _____________ ______________
Oscar Rodríguez Gérman Crespo Enrique Vásquez
IV
RESUMEN
ACTUALIZACIÓN Y MEJORA DEL SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO DE PASTAS CAPRI C.A.
Autores: Aldo Vega
Blas Brando
Tutor Industrial: Ing. Enrique Vasquez
Tutor Académico: Ing. Oscar Rodríguez
Caracas, Abril 2004
El siguiente proyecto tiene como finalidad evaluar el sistema de aire
comprimido de Pastas Capri C.A. con el objeto de conseguir las causas a los
problemas existentes y proponer soluciones.
Grandes cantidades de condensado en las purgas y constantes deterioros
en los dispositivos de accionamiento neumático, grandes períodos de carga del
compresor y ocasionales caídas de presión, además de una red de tuberías
caóticamente distribuida, son algunos de los problemas que se presentan en el
actual sistema de aire comprimido de Pastas Capri C.A.
V
Una vez conocidos los problemas del sistema actual de aire comprimido,
se procedió a realizar la evaluación del mismo y se consiguió que el caudal de
generación no era suficiente para satisfacer una demanda en conjunto de las
tomas de servicio y las tomas de limpieza. Los requerimientos de la planta en
cuanto a humedad no eran cubiertos, además de que la red de tuberías no
cumplía con ninguno de los parámetros de diseño.
Luego de identificar los causas de todos los problemas que presenta el
sistema actual de aire comprimido de Pastas Capri C.A, se procedió con el
desarrollo del nuevo sistema que será presentado a la empresa y que incluye
dos redes independientes, una para servicio y otra para limpieza, ambas
cumpliendo con los parámetros de diseño en cuanto a distribución, disposición y
diámetro de tuberías.
Además se plantea el uso de los equipos generadores de aire comprimido
existentes, adecuadas unidades de almacenamiento y de nuevos equipos para
el tratamiento del aire que permitan cumplir con los requerimientos de la planta
en cuanto a humedad se refiere.
VI
AGRADECIMIENTOS
VII
VIII
IX
ÍNDICE HDERECHOS DE AUTOR...................................................................................... ���HI
�HAPROBACIÓN..................................................................................................... ���HII
�HACTA DE VEREDICTO ...................................................................................... ���HIII
�HRESUMEN.......................................................................................................... ���HIV
�HAGRADECIMIENTOS......................................................................................... ���HVI
�HÍNDICE ............................................................................................................... ���HIX
�HLISTA DE TABLAS Y FIGURAS....................................................................... ���HXIII
�HINTRODUCCIÓN............................................................................................... ���H14
�HCAPÍTULO I. TEMA DE INVESTIGACIÓN.......................................................... ���H3
�HIdentificación de la empresa.......................................................................... ���H3
��HReseña histórica ..................................................................................... ���H3
��HOrganigrama........................................................................................... ���H5
��HPolíticas de Calidad ................................................................................ ���H6
��HGeneralidades del proceso de producción.................................................... ���H6
��HComposición de las líneas de producción..................................................... ���H8
��HComposición del sistema de aire comprimido de Pastas Capri C.A............ ���H12
��HGeneradores y almacenadores del aire................................................ ���H12
��HTratamiento del aire.............................................................................. ���H15
��HDistribución del aire .............................................................................. ���H17
��HPlanteamiento del problema........................................................................ ���H18
��HObjetivos de la investigación....................................................................... ���H19
��HObjetivo general.................................................................................... ���H19
��HObjetivos específicos............................................................................ ���H19
��HLimitaciones del trabajo .............................................................................. ���H19
��HCAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO ..................................................................... ���H21
��HConcepto de aire libre ................................................................................. ���H21
��HMagnitudes fundamentales ......................................................................... ���H22
X
��HCompresión................................................................................................. ���H25
��HLeyes de la compresión........................................................................ ���H25
��HLey de Boyle-Mariotte .................................................................... ���H27
��HLey de Gay-Lussac ........................................................................ ���H28
��HLey de Charles ............................................................................... ���H29
��HLey de los gases perfectos............................................................. ���H30
��HConstante R de un gas perfecto..................................................... ���H31
��HCalor específico.............................................................................. ���H31
��HTransformaciones adiabáticas ....................................................... ���H32
��HDistintas evoluciones de un gas..................................................... ���H34
��HMezcla de gases ............................................................................ ���H36
��HLey de Dalton ................................................................................. ���H37
��HRefrigeración.................................................................................. ���H37
��HCiclo teórico de trabajo de un compresor ............................................. ���H38
��HComparación entre los diversos tipos de compresión .................... ���H39
��HCompresores............................................................................................... ���H42
��HCompresores volumétricos ................................................................... ���H43
��HDepósitos de aire ........................................................................................ ���H49
��HHumedad..................................................................................................... ���H51
��HHumedad en el aire atmosférico ........................................................... ���H51
��HHumedad en el aire comprimido ........................................................... ���H51
��HPsicrometría.......................................................................................... ���H52
��HHumedad absoluta o específica ..................................................... ���H53
��HHumedad de saturación ................................................................. ���H54
��HInfluencia de la temperatura en la humedad de saturación, a presión
constante ........................................................................................ ���H55
��HHumedad relativa ........................................................................... ���H56
��HPunto de rocío ................................................................................ ���H57
��HConcepto y cálculo de condensados, separados y arrastres
líquidos ........................................................................................... ���H59
��HTratamiento del aire a la salida del compresor............................................ ���H61
XI
��HDeshumidificación................................................................................. ���H62
��HDeshumidificadores........................................................................ ���H62
��HSeparador de aceite ............................................................................. ���H67
��HTratamiento del aire en los puntos de aplicación ........................................ ���H68
��HFiltro separador con regulador de presión ............................................ ���H69
��HPérdidas de presión .................................................................................... ���H73
��HPérdida de presión = pérdida de potencia ............................................ ���H73
��HCálculo de las pérdidas de presión....................................................... ���H74
��HPérdida de presión en las unidades de mantenimiento ........................ ���H75
��HPérdida de presión en el refrigerador posterior..................................... ���H76
��HPérdidas de presión admisibles por fugas .................................................. ���H77
��HEstudio de una instalación de aire comprimido ........................................... ���H78
��HConsumo instantáneo........................................................................... ���H78
��HConsumo real ....................................................................................... ���H79
��HCoeficiente de utilización................................................................ ���H79
��HCapacidad de los compresores................................................................... ���H80
��HDiseño de una instalación de aire comprimido............................................ ���H80
��HCAPÍTULO III. MARCO METODOLÓGICO....................................................... ���H82
��HTipo de investigación .................................................................................. ���H82
��HProcedimiento metodológico ....................................................................... ���H82
��HEvaluación del consumo y la generación del aire comprimido ............. ���H82
��HDeterminación del caudal de consumo .......................................... ���H83
��HDeterminación del caudal del caudal generado ............................. ���H83
��HComparación entre el caudal de consumo y el caudal de
generación...................................................................................... ���H83
��HPérdidas de presión en el sistema actual ............................................. ���H83
��HEvaluación de la red de tuberías .......................................................... ���H83
��HEstudio de la calidad del aire ................................................................ ���H84
��HDesarrollo de la propuesta de mejora................................................... ���H84
��HCAPÍTULO IV. ANÁLISIS Y RESULTADOS...................................................... ���H85
��HAnálisis del sistema actual .......................................................................... ���H85
XII
��HEvaluación del consumo y la generación del aire comprimido ............. ���H85
��HDeterminación de los caudales instantáneos ................................. ���H85
��HDeterminación de los caudales reales.......................................... ���H100
��HDeterminación del caudal generado............................................. ���H104
��HComparación entre el caudal de consumo y el caudal de
generación.................................................................................... ���H105
��HEvaluación de la red de tuberías ........................................................ ���H106
��HPérdidas de presión............................................................................ ���H107
��HCálculo de la pérdida de presión en mangueras .......................... ���H107
��HCálculo de la pérdida de presión en acoplamientos rápidos ........ ���H110
��HEstudio de la calidad del aire .............................................................. ���H111
��HEstudio de la humedad................................................................. ���H111
��HEstudio de las partículas sólidas .................................................. ���H124
��HEstudio del contenido de aceite.................................................... ���H125
��HDesarrollo del nuevo sistema.................................................................... ���H125
���HEvaluación del consumo y la generación del aire comprimido ........... ���H125
���HDeterminación del caudal de consumo ........................................ ���H125
���HDeterminación del caudal de los compresores............................. ���H127
���HComparación entre el caudal de consumo y el caudal de
generación.................................................................................... ���H129
���HDeterminación de los pulmones ......................................................... ���H130
���HConsideración de equipos para el tratamiento del aire....................... ���H136
���HConsideración de alternativas para la nueva red................................ ���H137
���HElección de la Alternativa............................................................. ���H138
���HPérdidas de presión en el nuevo sistema........................................... ���H139
���HSelección de diámetros................................................................ ���H139
���HCálculo de la pérdida de presión en el refrigerador posterior....... ���H145
���HCAPÍTULO V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................... ���H148
���HConclusiones ............................................................................................ ���H148
���HRecomendaciones .................................................................................... ���H149
���HAPÉNDICES Y ANEXOS ................................................................................ ���H155
XIII
LISTA DE TABLAS Y FIGURAS
���HFigura 1. Organigrama Pastas Capri C.A. ........................................................... ���H5
���HFigura 2. Diagrama de bloques del Proceso ....................................................... ���H8
���HFigura 3. Compresor S – 4 ................................................................................ ���H12
���HFigura 4. Compresor S – 3 ................................................................................ ���H13
���HFigura 5. Pulmón principal N° 1......................................................................... ���H14
���HFigura 6. Pulmón secundario............................................................................. ���H15
���HFigura 7. Refrigerador posterior ........................................................................ ���H16
���HFigura 8. Unidad de mantenimiento .................................................................. ���H17
���HFigura 9. Esquema de presiones....................................................................... ���H24
���HFigura 10. Evoluciones en los gases................................................................. ���H36
���HFigura 11. Ciclo teórico de compresión ............................................................. ���H40
���HFigura 12. Aspiración – Compresión de un compresor alternativo .................... ���H44
���HFigura 13. Compresor de tornillo ....................................................................... ���H46
���HFigura 14. Compresor de paletas ...................................................................... ���H47
���HFigura 15. Compresor roots............................................................................... ���H47
���HFigura 16. Compresor radial.............................................................................. ���H48
���HFigura 17. Compresor axial ............................................................................... ���H49
���HFigura 18. Refrigerador posterior ...................................................................... ���H63
���HFigura 19. Secador por adsorción ..................................................................... ���H64
���HFigura 20. Secador por refrigeración................................................................. ���H66
���HFigura 21. Configuración de una sala de compresores ..................................... ���H67
���HFigura 22. Filtro separador con regulador de presión........................................ ���H69
���HFigura 23. Regulador de presión ....................................................................... ���H70
���HFigura 24. Lubricador ........................................................................................ ���H72
XIV
INTRODUCCIÓN
El hombre siempre ha requerido de la energía en sus diversas
manifestaciones, para poder satisfacer sus exigencias cotidianas de vida. Una
de las fuentes de energía más usadas actualmente es proporcionada por el aire
comprimido cuya técnica de manipulación es otorgada por la neumática. Desde
sencillos sistemas de suministro de aire hasta complejos sistemas
automatizados requieren de esta adaptable, versátil, sencilla y económica
tecnología.
A nivel industrial, el aire comprimido juega un papel fundamental por ser
empleado en muchas aplicaciones. Centrales de generación a base de
compresores que, en conjunto con redes de tuberías, suministran el aire hasta
sus puntos de trabajo son comunes en plantas y fábricas. Pero a pesar de esto
la correcta manipulación de este recurso suele aprenderse por experiencia
propia pues la información técnica referente al aire comprimido es escasa y solo
personas especializadas tienen acceso a ella.
Generalmente los sistemas de aire comprimidos reciben menos atención
de la que realmente requieren. Ya se han mencionado las virtudes de esta
fuente de energía que lejos de despertar interés en su correcta implementación
conllevan a búsquedas incansables de ahorros monetarios por parte del usuario
generando así malas inversiones en equipos y accesorios económicos que
eventualmente producen bajos rendimientos en la producción y rápidos
desgastes de dispositivos neumáticos. Estos hechos a la larga terminan
generando más pérdidas monetarias de lo que se ahorra en adquirir equipos a
bajos costos. Es por esto que no es extraño observar sistemas de este tipo en
mal funcionamiento.
2
En la búsqueda de un mejor aprovechamiento de la energía brindada por
el aire comprimido y de los beneficios económicos que esto puede generar, la
empresa Pastas Capri C.A. ha decidido llevar a cabo este proyecto de
actualización y mejora de su actual sistema de aire comprimido.
3
CAPÍTULO I
TEMA DE INVESTIGACIÓN
Identificación de la empresa Reseña histórica La Historia de “Pastas Capri” tiene su origen en el año 1.953 como fábrica
de Pastas Capri, C.A., ubicada en la Zona Industrial San Martín, Caracas, siendo
sus fundadores los hermanos Di Maio. Dos años más tarde en 1.955, los
señores Andrés Blas Olivo, Juan Pascual Olivo y Emilio Nobile, hasta ese
momento mayoristas de víveres, deciden inducirse en el ramo de las pastas
alimenticias y compran dicha fábrica, pasando a ser Olivo Hnos y Nobile Sucr,
C.A., la cual hoy en día, dirigida por sus sucesores, ha logrado mantenerse a lo
largo de su vida Industrial con una gran variedad de pastas de excelente calidad
en el mercado Venezolano.
La Empresa comienza a funcionar en el año 1.953 con una línea de pasta
larga y corta (Grondona) de capacidad 250 Kg/hora, con secaderos estáticos y
con solo veinte trabajadores.
El volumen de producción para ese año era 50.000 Kg/mes. Del año (54)
cincuenta y cuatro al (56) cincuenta y seis, se introducen (2) dos prensas de
pasta larga y corta (Grondona), aumentando la capacidad a 1.350 Kg/h.
Posteriormente en 1.970-71 se diversifica la producción induciendo una línea de
pasta nido (Pavan) con capacidad de 150 Kg/h. A partir de 1.980 se instalaron
4
dos líneas automáticas (Braibanti), una de pasta larga con capacidad de 200
Kg/h.
Por otra parte, la empresa en el año 1.960 comenzaba la elaboración de
especialidades tales como: Pasticho, Raviolis, y patas de Huevo, la cual se
hacía manualmente. Para 1.967 se comienza la producción de Raviolis y
Pasticho en forma semi-automática con una línea torresani de capacidad 80
Kg/h, para Raviolis y una línea torresani de capacidad 100 Kg/h, para Pasticho la
cual hoy en día produce Pasticho Normal y directo al Horno.
Los directivos han asimilado las necesidades de tecnificación y desarrollo
que imponen las circunstancias Industriales y la economía del país. Por esto, en
primer término, se decide trasladar la sede original de San Martín, Caracas, a los
terrenos que se adquirieron en Carrizal, Edo. Miranda; lo que hoy en día se
conoce como unidad de negocios carrizal y un poco después, la decisión de
construir otra planta en Barquisimeto Edo. Lara, en donde se realizan
actividades similares de manufactura y administración. Recientemente, se
cumplió uno de los mayores deseos, la instalación de un molino en la sede de
Barquisimeto, el cual va a permitir más autonomía en los planes productivos y en
el cumplimiento de la visión definida. Esta planta es denominada Unidad de
Negocios Barquisimeto.
Adicionalmente existen otras tres unidades de negocio: Unidad de
Negocio Don Pedro (Carrizal), Unidad de Negocio Valencia y Unidad de
Negocio Maracaibo.
A esto sumamos la adquisición de nuevas maquinarias que duplicaran la
producción. Por lo cual, se construyó un nuevo almacén, anexo a las
instalaciones principales.
5
Actualmente con (50) cincuenta años de actividades trabajan en la
empresa entre las (2) dos unidades de negocio, más de (300) trescientas
personas, y se manejan maquinarias sofisticadas.
Organigrama En la siguiente figura se representa el organigrama de Pastas Capri C.A.
Figura 1. Organigrama Pastas Capri C.A. Fuente: Pastas Capri C.A.
6
Políticas de Calidad Misión Producir y comercializar Pastas Alimenticias de calidad y variedad para
satisfacción del consumidor. Se esta comprometido con la innovación
tecnológica y Gerencial, la productividad, rentabilidad, el crecimiento y el
desarrollo del personal de la empresa sustentándose en sus valores éticos.
Visión Ser reconocidos en el mercado como los mejores proveedores de Pastas
Alimenticias.
Generalidades del proceso de producción
La distribución de la materia prima (sémola de trigo durum) a lo largo de
la planta, se inicia cuando las gandolas descargan la sémola a los silos o
depósitos.
El proceso de elaboración de la pasta comienza como tal en la prensa,
donde la sémola es amasada con agua agregando un tercio de agua por dos
tercios de sémola. El amasado de la sémola se hace en dos partes: un
empastado, donde se hace la mezcla homogénea de agua y sémola, con el fin
de obtener el gluten y otra donde se amasa en un sistema de vacío, el cual tiene
como objetivo, evitar que se formen burbujas internas que disminuyan la
durabilidad de la pasta además de mejorar su aspecto haciéndola brillante.
7
Una vez amasada la mezcla agua-sémola se pasa al proceso de extrusión
en el cual a través de un tornillo sin fin, se empuja la masa a través de las
terrajas de un molde de bronce donde se da la forma deseada y aquí un cuchillo
rotativo corta la pasta del largo adecuado. Como las pastas tienen ya su forma
pero salen blandas (conteniendo de 40 a 43 % de humedad relativa), deben
pasar a las diferentes etapas de secado, el cual permite reducir la cantidad de
agua que tienen las mismas sin deteriorarlas. Para poder ser conservadas en
buenas condiciones no deben contener más de un 12,5% de humedad relativa.
Al salir de la prensa, la pasta es dirigida por medio de una correa hacia
los secadores; en la primera etapa de presecado, en un equipo llamado trabatto,
se le extrae el primer porcentaje de humedad por medio de un secado rápido de
inversión térmica donde la pasta alcanza la máxima temperatura por un breve
tiempo e inmediatamente después vuelve a perderla, lo que la endurece
exteriormente evitando la deformación en las posteriores etapas del proceso.
La etapa siguiente es la de presecado donde la pasta debe salir con un
20% de humedad relativa, pasando después a la etapa de secado, después a la
etapa de estabilización o enfriamiento que representa el punto de equilibrio de
todo el sistema, ya que da al producto una humedad del 12,5%, el enfriamiento
gradual permite que el producto esté estabilizado y humidificado en la superficie,
apto para soportar el salto térmico causado por la gran reducción de temperatura
y así luego de enfriada pasar a los silos de almacenamiento temporal para su
posterior empaquetado, enfardado y distribución. En la siguiente figura se
representa, mediante un diagrama de bloques, el proceso antes descrito.
8
Figura 2. Diagrama de bloques del Proceso Fuente: Pastas Capri C.A. Composición de las líneas de producción
La planta carrizal de Pastas Capri C.A. posee actualmente en actividad
cinco (5) líneas de producción de pasta y una (1) línea de producción de
pasticho semiautomática, además de una (1) línea de producción de pasticho
automática actualmente inactiva.
A continuación se muestra como están constituidas las diferentes líneas:
Pasta Corta N° 1 (PCN1)
1. Compresor de Sémola.
2. Plansister PCN1.
3. Prensa.
4. Trabatto.
5. Elevador Trabatto – Presecado.
RECEPCIÒN DE LA MATERIA PRIMA
SILO DE SÉMOLA PLANSISTER AMASADO
AMASADO AL VACÍO - 0,8 bar
AGUAAIRE
EXTRUSIÒN40-43% HR
1º PRESECADO
CALOR
HUMEDAD
CALOR
HUMEDAD
PRESECADO20% HR
SECADO
CALOR HUMEDAD
ENFRIAMIENTO
13-11% HR
SILO DE PASTA TERMINADA
EMPAQUETADO ALMACENADO
9
6. Presecado.
7. Elevador Presecado – Secado.
8. Secado.
9. Elevador Secado – Enfriador.
10. Enfriador.
11. Elevador Enfriador – Silos producto terminado.
12. Silos producto terminado.
13. Elevador Silos producto terminado – Empacadoras.
14. Aspirador de Prensa PCN1.
Pasta Larga N° 2 (PLN2)
1. Compresor de Sémola.
2. Plansister PLN2.
3. Prensa.
4. Extendedora Cortadora.
5. Aerostato (Presecado).
6. Galería de secado (GPL).
7. Silos GPL.
8. Extendedora Cortadora.
9. Mezclador (Mixer).
10. Elevador Mixer – Empacadoras.
11. Aspirador de Prensa General.
Pasta Corta N° 3 (PCN3)
1. Compresor de Sémola.
2. Plansister General.
3. Prensa.
4. Hoja 1000.
5. Car 500.
10
6. Trabatto.
7. Primer Rotante.
8. Segundo Rotante.
9. Tercer Rotante.
10. Cuarto Rotante.
11. Elevador Cuarto Rotante – Silos producto terminado.
12. Silos producto terminado.
13. Elevador Silos producto terminado – Empacadora.
14. Aspirador de Prensa General.
Pasta Corta N° 4 (PCN4)
1. Compresor de Sémola.
2. Plansister General.
3. Prensa.
4. Trabatto.
5. Elevador Trabatto – Presecado.
6. Presecado.
7. Elevador Presecado – Secado.
8. Secado.
9. Elevador Secado – Banda Transportadora.
10. Banda Transportadora.
11. Silos producto terminado.
12. Elevador Silos producto terminado – Empacadora.
13. Aspirador de Prensa General.
Pasta Nidos N° 5 (PNN5)
1. Compresor de Sémola.
2. Plansister General.
3. Prensa.
11
4. Presecado.
5. Elevador Presecado – Secado.
6. Secado.
7. Elevador Secado – Silos producto terminado.
8. Silos producto terminado.
9. Elevador Silos producto terminado – Banda Transportadora.
10. Banda Transportadora.
11. Aspirador de Prensa General.
Pasticho N° 7 (PT7)
1. Compresor de Sémola.
2. Plansister General.
3. Laminadora – Cortadora.
4. Dosificador de Harina.
5. Dosificador de Sémola.
6. Amasador.
7. Transportador Elevador.
8. Secaderos Estáticos.
Pasticho Continuo N° 8 (PT8)
1. Compresor de Sémola.
2. Plansister General.
3. Prensa.
4. Presecado.
5. Secado.
6. Secaderos Estáticos.
12
Composición del sistema de aire comprimido de Pastas Capri C.A. El sistema de aire comprimido de Pastas Capri C.A. se compone de tres
(3) partes:
Generadores y almacenadores del aire Se encargan de generar y almacenar el aire comprimido. Se compone de:
1) Compresor modelo S – 4, marca BETICO
Figura 3. Compresor S – 4 Fuente: Elaboración propia
Actualmente suministra aire comprimido a la planta y se ubica en la sala
de compresores. Posee las siguientes características:
• Dos Pistones de simple efecto por etapa.
• Dos etapas de compresión.
13
• Un ínter enfriador después de cada etapa para controlar la humedad.
2) Compresor modelo S – 3, marca BETICO
Figura 4. Compresor S – 3 Fuente: Elaboración propia
Actualmente inactivo, se encuentra en perfectas condiciones y se ubica
en la sala de compresores. Posee las siguientes características:
• Dos Pistones de simple efecto por etapa.
• Dos etapas de compresión.
• Un ínter enfriador después de la primera etapa para controlar la humedad.
3) Compresor marca KAESER
Compresor auxiliar para suministrar aire comprimido a las líneas 1, 2, 3 y
8. Actualmente inactivo, se tiene para casos de emergencia y se ubica dentro de
la planta en un extremo del ala norte. Es un compresor de tornillo.
14
4) Pulmón principal N° 1
Figura 5. Pulmón principal N° 1 Fuente: Elaboración propia
Está instalado después del compresor S – 4 y se encuentra en la sala de
compresores.
5) Pulmón principal N° 2
Está inactivo y se encuentra en la sala de compresores.
15
6) Pulmón principal N° 3
Está instalado después del compresor auxiliar y se ubica dentro de la
planta en un extremo del ala norte.
7) Nueve (9) pulmones secundarios
Figura 6. Pulmón secundario Fuente: Elaboración propia
Están instalados a lo largo de la red para estabilizar la presión de algunas
tomas de servicio.
Tratamiento del aire
Se encarga de la deshumidificación y el mantenimiento del aire
comprimido.
16
1) Refrigerador posterior
Figura 7. Refrigerador posterior Fuente: Elaboración propia
Es un intercambiador de calor con banco de tubos paralelos y la unidad
principal de deshumidificación. Utiliza agua proveniente de la torre de
enfriamiento como refrigerante. Se ubica en la sala de compresores.
17
2) Unidades de mantenimiento marca FESTO
Figura 8. Unidad de mantenimiento Fuente: Elaboración propia
Están instaladas en la mayoría de las tomas de servicio. Están
constituidas por filtros separadores, reguladores de presión, manómetros y
lubricadores. Los lubricadores solo se utilizan en las tomas que lo requieran.
Distribución del aire
1) La red de tuberías
Es una red común para las tomas de servicio y de limpieza. Distribuye el
aire comprimido a toda la planta. Están identificadas con color azul claro según
las normas COVENIN.
18
Planteamiento del problema
El aire comprimido es una fuente de energía efectiva, versátil y económica
muy usada en la industria. Lamentablemente se presta poca atención a la
correcta instalación y manipulación de estos sistemas, provocando un mal
aprovechamiento de sus características.
En Pastas Capri C.A. el aire comprimido juega un papel fundamental en
la elaboración de la pasta. La empresa ha prestado mucha importancia a la
automatización de los procesos donde la neumática se usa como fuerza
dinámica de trabajo, vinculándola directamente con la calidad del producto y la
productividad.
Como en muchas de las industrias venezolanas, el sistema de aire
comprimido de Pastas Capri C.A. presenta diversos problemas en cada uno de
sus componentes. Grandes cantidades de condensado en las purgas y
constantes deterioros en los dispositivos de accionamiento e instrumentación
neumática, evidencian problemas de humedad. Grandes períodos de carga del
compresor y ocasionales caídas de presión que conllevan a paradas en la
producción, demuestran poca capacidad de generación. Una red de tuberías
caóticamente distribuida, con excesivos accesorios y ramales, genera problemas
en el mantenimiento y hace pensar en pérdidas de presión y acumulación de
condensado.
Por estas razones, además de que la empresa tiene previsto una pronta
ampliación, se decide llevar a cabo este proyecto de mejoramiento y
actualización del sistema de aire comprimido.
19
Objetivos de la investigación
Objetivo general Evaluar el sistema actual de aire comprimido de Pastas Capri C.A. con el
objeto de conseguir las causas de los problemas existentes y proponer
soluciones.
Objetivos específicos
• Verificar si el caudal de generación satisface el caudal que demanda la
planta.
• Verificar si las pérdidas de presión en el sistema actual cumplen con los
valores admisibles.
• Determinar si la distribución y disposición de la red actual es la adecuada.
• Verificar si el sistema de tratamiento del aire es el adecuado.
• Proponer un nuevo sistema que solucione los problemas que se
encuentren.
Limitaciones del trabajo
• La empresa quiere conservar el sistema de limpieza mediante aire
comprimido, al igual que todas sus tomas.
• Se cuenta únicamente con los compresores existentes, pues la empresa
no está interesada en adquirir nuevos equipos salvo circunstancias de
extrema necesidad.
20
• No se va a cambiar la ubicación de la sala de compresores.
21
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Concepto de aire libre
Las cantidades en N lts/min o en N m3/min que se dan generalmente en
los catálogos para el consumo de aire por las herramientas neumáticas o
equipos, se refieren a aire libre por minuto (aire atmosférico a la presión y
temperatura normales). Se debe asegurar de que el dato de la capacidad del
compresor que da el fabricante esté también referido a aire libre, al objeto de
que exista una correspondencia entre consumo y capacidad. Normalmente,
estas dos especificaciones están dadas en aire libre y, por tanto, no hace falta
ninguna conversión. Sin embargo, cuando se trata del consumo de aire de otros
equipos, es posible que no se dé en aire libre; entonces deberá recurrirse a la
fórmula para la conversión de litros de aire comprimido a una presión
determinada en litros de aire libre, y que es:
11,033
1,033pQ Q +⎛ ⎞= ×⎜ ⎟
⎝ ⎠ Ecuación N° 1
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Donde:
Q = litros de aire libre por minuto.
1Q = litros de aire comprimido por minuto.
p =presión manométrica del aire comprimido en Kg/cm2 o bar.
Como sea que el clima es variable y responde a las características
propias de cada lugar, sería dificultoso establecer unas tablas de consumos que
22
correspondieran a los diferentes estados climáticos; por ello, se va imponiendo
el establecimiento de una normativa sobre la base de considerar unas
condiciones normales de temperatura y presión del aire aspirado,
independientemente de las condiciones atmosféricas en las cuales trabaje el
compresor y que sirven de referencia comparativa, aire que se llamará aire
normal o aire normalizado, distinguiéndolo con una N (mayúscula) que se sitúa
después de las cifras y antes del volumen expresado. Por ejemplo: 600 Nm3/h
equivale a un sistema que proporciona 600 m3/h expresados en condiciones
normales.
Las condiciones normales varían según el área de influencia tecnológica.
Los que siguen las indicaciones del "Compressed Air Gas Institute" de U.
S. A., 1 N m3/h es un m3 de aire por hora a la temperatura de 20 °C a la presión
de 1,033 Kg/cm2 y con una humedad relativa del 36 %.
Magnitudes fundamentales
El caudal con la presión son las dos magnitudes fundamentales de la
neumática.
El caudal es el volumen de fluido que pasa por una determinada sección
transversal de una tubería o conducto por cada unidad de tiempo. Es una
magnitud compuesta que relaciona el cociente entre unidades de volumen y
unidades de tiempo.
La presión es, por definición, el cociente de dividir una fuerza por la
superficie que recibe su acción, p = F/S.
Se distinguen tres tipos de presión: atmosférica, efectiva o relativa y
absoluta.
23
La presión atmosférica viene dada por el peso del aire que se encuentra
sobre la superficie de la tierra. A nivel del mar es de 760 mm de columna de
mercurio o de 10,33 m de volumen de agua. El volumen de esta columna de
agua, teniendo por base 1 cm2 es de 0,01 dm2 x 103 dm = 1,033 dm3, y su peso
vale 1,033 Kg. Por consiguiente, la presión ejercida por la presión atmosférica
será de 1,033 Kg/cm2.
Esta presión disminuye con la altitud. Al ir subiendo sobre el nivel del mar,
la presión disminuye hasta anularse en la estratosfera, donde no hay aire. En el
Anexo N° 1, se indica la presión atmosférica a diferentes alturas.
El concepto de presión absoluta se reserva para las presiones referidas al
cero absoluto, definiéndose como depresión la diferencia entre el valor de la
presión atmosférica y la presión cero absoluto o presión en el vacío (que es
nula).
Se conoce por presión efectiva o relativa en la práctica corriente a la
diferencia entre la presión absoluta menos la presión atmosférica. Los instru-
mentos que la miden se llaman manómetros. La figura 9, aclara estos
conceptos:
24
Figura 9. Esquema de presiones Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Entonces para encontrar la presión absoluta habremos de añadir la
presión relativa a la presión atmosférica que corresponda al lugar que se
considere bajo esta fórmula:
Presión Absoluta = Presión Relativa + Presión Manométrica
Las unidades de presión, comúnmente adoptadas en neumática, son el
Kg/cm2, el bar y la atmósfera técnica, pudiéndose llegar en la práctica a las
siguientes identidades:
1 bar = 1 Kg/cm2 = 1 atm
Otro patrón a considerar es la temperatura absoluta, que se representa
por T, y su unidad es el Kelvin, simbolizado por K. En la escala Kelvin la
temperatura del punto de hielo es 273,15 K, y la del punto de vapor es 373,15 K;
existe, por tanto, una diferencia de 100 K entre ambos estados.
25
Su relación con los grados centígrados o grados Celsius (°C), en cuya
escala las temperaturas del punto de hielo y del punto de vapor son 0 °C y 100
°C, respectivamente, puede establecerse:
0 °C = 273 K
Compresión
Entendemos por compresión el proceso mediante el cual se eleva la
presión de un fluido gaseoso por una disminución de su volumen específico. Por
consiguiente, un compresor es una máquina destinada a elevar la presión de un
fluido gaseoso.
Leyes de la compresión
Los procesos de compresión son procedimientos con flujo, es decir,
aquellos en los que el fluido se comprime y se desplaza. Los fluidos que se
comprimen en un compresor pueden ser de naturaleza diversa: gas puro,
mezcla de gases, vapor recalentado o saturado y otros. En determinadas
ocasiones, el fluido que se comprime puede equipararse a un gas perfecto; la
certeza de esta asimilación está supeditada no sólo a la naturaleza del fluido,
sino igualmente del margen de las presiones abordadas. Por ejemplo, en el caso
de un compresor que aspira aire atmosférico (1,033 bar) y eleva su presión
hasta una presión de salida de 10 bar, las propiedades del fluido no se
diferencian esencialmente de las de un gas perfecto; bien entendido que cuando
la presión del aire alcance presiones muy superiores es obligado efectuar otras
apreciaciones, pues en modo alguno sucede lo mismo.
El aire, si lo definiéramos severamente, no es un gas perfecto, pero dadas
las pequeñas variaciones que en él ocurren, y para un estudio de los principios
de funcionamiento de los compresores, podemos considerarlo como un gas que
26
satisface las condiciones de un gas perfecto.
Las leyes de los gases perfectos enlazan últimamente las tres
magnitudes: presión (P), volumen (V) y temperatura (T), que están implicadas en
la compresión y expansión del aire, debiendo comprender las propiedades del
estado gaseoso para poder interpretar los fenómenos que se originan cuando se
alteran algunos de los parámetros que toman parte activa en el desarrollo de sus
propiedades, pudiendo decir que en los gases el volumen V es función de la
presión P y de la temperatura T, lo cual nos lleva a escribir implícitamente F
(P,V,T) = 0.
Para una masa dada, o sistema de un gas, la presión, la temperatura y el
volumen que ocupa se relacionan por medio de la ley de los gases, o dicho de
otra manera, por la ecuación apropiada para el estado del gas.
Cada una de estas tres magnitudes puede cambiar, habiendo estudiado los físi-
cos la evolución de dos de ellas cuando la otra se mantiene en un valor
constante.
Así, se ha llevado a estudio:
• La evolución a temperatura constante (ley de Boyle-Mariotte). Es el
estudio de la comprensibilidad a temperatura constante.
• La evolución a presión constante (ley de Gay-Lussac). Es el estudio de la
dilatación a presión constante.
• La evolución a volumen constante (ley de Charles). Es el estudio de la
variación de presión a volumen constante.
27
Existe un cuarto tipo muy importante de evolución, el cual se obtiene
admitiendo que el sistema se desenvuelve en un recinto impermeable al calor,
de modo que Q = Cte (a calor constante o cuando la entropía es
constante).Estas evoluciones son adiabáticas cuya ecuación finita recibe el
nombre de ecuación de Poisson o de Laplace.
Para la aplicación de las fórmulas que encontraremos en lo sucesivo, los
volúmenes se toman en metros cúbicos, y las temperaturas y presiones en
valores absolutos.
Ley de Boyle-Mariotte
A temperatura constante, el volumen ocupado por una masa gaseosa
invariable está en razón inversa de su presión, es decir, que en tales
circunstancias se verifica:
p V cte× = Ecuación N° 2
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Asimismo puede escribirse:
1 1 2 2p V p V cte× = × = Ecuación N° 3
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
1 2
2 1
p Vp V
= Ecuación N° 4
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
28
Si la temperatura T = Cte.
Las líneas que unen los estados-puntos que se hallan a la misma
temperatura se denominan isotérmicas o isotérmicas del gas, siendo su curva
representativa la de una hipérbola equilátera sobre el plano pV.
Ley de Gay-Lussac
A presión constante, el volumen ocupado por una masa dada de gas es
directamente proporcional a su temperatura absoluta.
V cteT= Ecuación N° 5
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
O también, 2 2
1 1
V TV T
= , con p cte= Ecuación N° 6
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Dichas transformaciones se denominan isobáricas o isobáricas del gas,
siendo su línea representativa, sobre el plano pV, una paralela a V.
Esto se comprende fácilmente, pues tanto más se dilata un gas cuanto
más aumenta su temperatura.
El coeficiente de dilatación de un gas viene dado por la fórmula:
( )00
0
1V V V V tV t
α α−= → = + ×
× Ecuación N° 7
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
29
Esto permite calcular el volumen V ocupado por un gas de volumen inicial
Vo cuando su temperatura se ha elevado T.
Recordemos que el coeficiente de dilatación de un gas a presión
constante es independiente de:
• La naturaleza del gas
• Su presión
• Su temperatura
3 13,66 10 0,003660273
α = × = =
Todos los gases tienen, pues, a presión constante, el mismo coeficiente
de dilatación, al contrario de los sólidos y los líquidos, que tienen cada uno su
valor propio.
Ley de Charles
A volumen constante, la presión absoluta de una masa de gas dada, es
directamente proporcional a las temperaturas absolutas, esto es:
1 2
1 2
..... n
n
pp p pcteT T T T= → = = = Ecuación N° 8
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Con V cte=
Las curvas que unen los estados-puntos que tienen el mismo volumen
específico se denominan isocóricas. En un gas perfecto, las isocóricas son
líneas rectas verticales sobre el plano pV.
30
Esta variación de presión viene dada por β , que es el impropiamente
llamado coeficiente de dilatación a volumen constante. Otros autores le dicen
coeficiente de tensión. Al calentar un gas a volumen constante, no pudiendo
dilatarse, aumenta su presión.
De este modo se puede obtener la presión del aire contenido en un
depósito cuando la temperatura ambiente aumenta T° (se desprecia entonces el
aumento de volumen del depósito para ésa variación de temperatura), al situar:
0 (1 )p p Tβ= × + Ecuación N° 9
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
El coeficiente de variación de presión a volumen constante β sale muy
parecido al coeficiente de dilatación a presión constante α .
Como él, es igualmente independiente de:
• La naturaleza del gas
• Su presión inicial
• Su temperatura.
Prácticamente se puede escribir:1 0,003660
273α β= = =
Ley de los gases perfectos Se llama gas perfecto a un fluido que sigue exactamente las leyes de
Mariotte, de Gay-Lussac y de Charles. En realidad, no hay ningún gas perfecto;
sin embargo, el aire, el oxígeno, el nitrógeno, helio y otros varios gases se
comportan, con bastante aproximación, como si fuesen gases perfectos. Todo
gas se acerca a este estado ideal conforme su temperatura crece y su presión
31
disminuye, esto es, a medida que se recalienta o se aleja de aquel estado en el
cual puede condensarse convirtiéndose en líquido. Los gases próximos a la fase
líquida se denominan vapores.
op V RT×
= Ecuación N° 10
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Constante R de un gas perfecto Con la ecuación característica de los gases perfectos se obtiene la
constante R, que es la constante de los gases perfectos. Esta constante para el
aire a temperatura 0 °C y presión de 1 atm es:
0,287 /R KJ Kg K= ×
29,26 /R Kgf m Kg K= × ×
Calor específico
Si una sustancia absorbe calor, se produce un cambio de temperatura en
la misma. La relación entre el calor absorbido y la variación de temperatura se
denomina capacidad calorífica. La cantidad de calor necesaria para elevar en 1
°C la temperatura de 1 Kg de esa sustancia, se conoce con el nombre de calor
específico de esa sustancia, la cual puede muy bien ser un gas.
Si se admite que el calor específico de un gas es independiente de la
temperatura y de la presión, la evolución no será la misma si ésta se efectúa a
presión constante o a volumen constante.
32
A volumen constante, el calor suministrado aumentará la energía interna
del gas, pero, además, se realizará un trabajo exterior que permite el aumento
de volumen del gas. Ahora bien, para efectuar este trabajo será preciso
suministrar cierta cantidad de energía que se añadirá a la energía calorífica
necesaria para la evolución de la temperatura.
Se designa por:
Cv = Calor específico a volumen constante, siendo 0,171 para el aire.
Cp = Calor específico a presión constante, que vale 0,24 para el aire.
Se toma, para los gases perfectos, una relación entre los calores
específicos a presión constante y a volumen constante, que es:
p
v
cc
γ = Ecuación N° 11
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
1,4γ =
Transformaciones adiabáticas Hasta ahora se ha estudiado las evoluciones isotérmicas, isobáricas e
isocóricas; tiene también extraordinario interés las transformaciones adiabáticas
o a calor constante, es decir, aquellas en las cuales el medio de trabajo no
absorbe ni cede calor, cuya ecuación es la expresión analítica de la ley de
Poisson.
Dice así: si comprimimos o dejamos expansionar una masa de un gas
perfecto encerrada en un recipiente térmicamente aislado, para que durante la
33
evolución no existan cambios de calor con el exterior, los volúmenes del gas son
inversamente proporcionales a las raíces de grado y de las presiones
respectivas, siendo:
1,4p
v
cc
γ = = Ecuación N° 12
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Analíticamente viene expresada dicha ley por:
2 1
1 2
V pV p
γ= Ecuación N° 13
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
De donde 1 1 2 2p V p Vγ γ× = × Ecuación N° 14
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Siendo 1V y 2V los volúmenes correspondientes a dos estados de la masa
cambiante, y 1p y 2p las presiones respectivas.
De un modo general, p V Cteγ× = Ecuación N° 15
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
De la ley de Poisson y la ecuación de los gases perfectos se deducen
fácilmente, según los cálculos que siguen:
1 1 1V p R T× = × Ecuación N° 16
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
34
2 2 2V P R T× = × Ecuación N° 17
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Dividiendo ambas ecuaciones se obtienen las siguientes relaciones:
1
1 1
2 2
T pT p
γγ−
⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠
Ecuación N° 18
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
1
2 1
1 2
V pV p
γγ−
⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠
Ecuación N° 19
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Todas ellas nos permiten relacionar los volúmenes o las presiones
absolutas de la masa gaseosa con las temperaturas absolutas correspondientes.
Las adiabáticas vienen representadas en el plano PV por hipérbolas, que
descienden más rápidamente que las isotérmicas hacia el eje de los volúmenes.
Distintas evoluciones de un gas
AL comprimir un gas se produce una elevación de temperatura. La
experiencia demuestra que la compresión exige trabajo y produce calor.
En los gases, las tres magnitudes, presión, volumen y temperatura, están
relacionadas entre sí como hemos visto.
Tendremos, lógicamente, diferentes tipos de evolución según que el calor
producido se evacue completamente, o se conserve total o parcialmente, y que
inciden en el estudio de los compresores.
35
• La evolución isotérmica, que es una evolución a temperatura constante.
Todo el calor producido se disipa y la transformación sigue la ley de
Mariotte: p V Cte× =
• La evolución adiabática, que se efectúa sin ningún cambio de calor con el
exterior. El calor originado por la compresión permanece en el gas y la
transformación sigue la ley de Poisson o de Laplace: p V Cteγ× = , según
se ha dicho 1,4γ = para el aire.
• La evolución politrópica, que corresponde mucho más a la realidad y en la
que se intercambia únicamente una parte del calor producido. Esta
transformación se sitúa entre una transformación isotérmica y una
adiabática.
Responde a la ley np V Cte× = , con 1 n γ< < ; más, como 1,4γ = para el
aire, n está comprendida entre 1 y 1,4.
Se admite, como valor medio, 1,30 a 1,35.
El proceso politrópico es una expresión generalizada de todos los
procesos posibles, donde n es el exponente politrópico, pudiendo tomar un valor
cualquiera (dependiente del proceso), pero que no varía una vez fijado.
El gráfico de la figura N° 10 personifica las curvas sobre el plano PV que
nos interesarán más adelante. Corresponden a los tres tipos de
transformaciones para una misma masa de gas y partiendo de las mismas
condiciones iniciales.
36
Las relaciones matemáticas y las variaciones de energía que intervienen
durante el proceso politrópico pueden determinarse de una manera similar a las
evoluciones adiabáticas reversibles.
Las formas particulares de la expresión general np V Cte× = son:
Si 00, n pV Cte o p Cte= = = ; evolución isobárica.
Si 01, n pV Cte o T Cte= = = ; evolución isotérmica.
Si , n pV Cte o dQ Cteγγ= = = ; evolución adiabática.
Si , n pV Cte o V Cte∞= ∞ = = ; evolución isocórica.
Figura 10. Evoluciones en los gases Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Mezcla de gases La ley de los gases perfectos se aplica a las mezclas de gases reales
cuando cada uno de los constituyentes puede ser considerado como un gas
perfecto. Esto nos interesa particularmente para el aire, cuyos principales
componentes (nitrógeno, oxígeno, argón) están en condiciones normales de
utilización, bastante lejos de su punto de licuación, lo que nos permite tratarlos
37
como gases perfectos.
Ley de Dalton En una mezcla de gases perfectos, cada gas ejerce una presión parcial
que es independiente-de la de los otros componentes, siendo la presión total de
una mezcla de gases, igual a la suma de las presiones parciales.
1 2 3 .....T np p p p p= + + + Ecuación N° 20
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Por otra parte, cada componente, a su presión parcial, ocupará el
volumen total.
1 2 3.....T nV V V V V= + + Ecuación N° 21
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Refrigeración
Durante la compresión se engendra calor, y si no se elimina, se elevará la
temperatura del aire a medida que se vaya comprimiendo. En la mayoría de las
aplicaciones, la elevación de la temperatura que sufre el fluido al ser comprimido
(T2 > T1) es perjudicial para su utilización.
Para evitar este efecto se refrigeran los compresores, además de reducir
el trabajo absorbido por la compresión. Siendo poco práctico que el aire retenga
todo su calor, se recurre a eliminarlo a medida que se comprime mediante
procedimientos apropiados. En los compresores pequeños, de una etapa, por
circulación forzada o simplemente por la temperatura ambiente. Para los de dos
38
etapas, en compresores alternativos de pistón, refrigeración por agua,
refrigeración por aire o una combinación de ambas, como lo es enfriar los
cilindros por aire mientras la refrigeración entre etapas y final es por agua.
En los rotativos, el aire es enfriado durante la compresión por inyección
de aceite. El aceite, a su vez, se rebaja su calor por medio del aire proveniente
de un ventilador o por un circuito de agua.
En el campo industrial es imposible conseguir una refrigeración tan eficaz
como para evitar que el aire aumente de temperatura durante su compresión. Es
por esto que, para mejorar el rendimiento de los compresores, se recurre a
efectuar la compresión lo más cerca posible de la isoterma mediante la
refrigeración, o sea elevar la presión sin que se produzca un aumento de
temperatura, consiguiendo la evacuación completa de las calorías debidas al
trabajo de compresión.
El agua que refrigera el ciclo de compresión extrae, aproximadamente,
entre un 15 y 40% del calor total de compresión. Los refrigeradores intermedios
en los compresores de dos etapas sacan alrededor de un 30 al 40% del calor.
Se recomienda una temperatura para el agua de refrigeración sobre los 50 a
10°C superior a la entrada de aire, saliendo del compresor con unos 40 a 50°C.
Ciclo teórico de trabajo de un compresor El ciclo teórico de trabajo de un compresor ideal se entenderá fácilmente
con el estudio de un compresor monofásico de pistón funcionando sin pérdidas y
que el gas comprimido sea perfecto. Con esto se da por hecho que el pistón se
mueve ajustado herméticamente al cilindro e incluso se considera que el paso
del aire hacia y desde el cilindro tiene lugar sin resistencias en válvulas y
conductos, es decir, sin cambio de presión. También se considera que no tiene
espacio muerto, esto es, sin volumen residual entre el punto muerto superior (P.
39
M. S.) y las válvulas de aspiración y escape. Se hace esta salvedad en virtud de
que la compresión del aire no se puede llevar, por razones físicas, hasta un
volumen nulo, existiendo al extremo de la carrera del compresor un espacio
llamado espacio muerto, y que es el menor volumen ocupado por el gas en el
proceso de compresión.
Comparación entre los diversos tipos de compresión Es manifiesta la necesidad de conocer el rendimiento de los compresores
y, para ello, reflejar de una manera matemática o gráfica el trabajo de la
compresión, Esta se verifica de acuerdo con la fórmula np V Cte× = , pudiendo
variar el exponente n según sea la evolución del gas.
Tengamos el diagrama P-V de un compresor ideal. El compresor aspira
aire a la presión atmosférica (4 – 1). Al principio de la compresión (1), el pistón
comienza a moverse en el cilindro aumentando su presión (ciclo de compresión).
Luego alcanza la presión final que se supone existe en la tubería de distribución
o en el pulmón cuando el pistón llega al punto 2. El aire se descarga en los
citados medios mediante el movimiento del pistón de 2 a 3 (presión constante).
Al retomar el pistón, la presión baja a presión atmosférica (4) y el aire
atmosférico vuelve a entrar por la aspiración (4 – 1), dando comienzo a un nuevo
ciclo, todo ello conforme a la siguiente figura:
40
Figura 11. Ciclo teórico de compresión Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
• De 4 a 1, aumento de volumen a presión constante.
• De 1 a 2, aumento de presión por reducción de volumen.
• De 2 a 3, disminución de volumen a presión constante.
• De 3 a 4, disminución de presión a volumen constante.
El trayecto 1 – 2, corresponde a una compresión isotérmica y el trayecto 1
– 5, corresponde a una compresión adiabática. Un trayecto intermedio entre las
líneas antes mencionadas corresponde a la línea de compresión politrópica.
El trabajo efectuado durante el ciclo es la suma algebraica de los trabajos
realizados en este ciclo. Por lo tanto, el trabajo total será igual al trabajo de
aspiración + trabajo de compresión + trabajo de descarga.
Un trabajo realizado sobre un sistema es un trabajo negativo. Como
únicamente interesa el valor del trabajo se tomará el módulo.
Se obviara el análisis de la compresión isotérmica y el análisis de la
compresión adiabática presentándose solamente la compresión politrópica por
ser el caso más cercano a la realidad.
41
Compresión politrópica La compresión politrópica sigue la ley de Poisson-Laplace para un valor n
que está comprendido entre 1<n<1,4. En cada caso, el valor de n dependerá del
sistema de refrigeración empleado y de la perfección constructiva y de diseño
lograda por cada fabricante de compresores.
Ordinariamente, en la industria se admite un exponente n = 1,35 para
compresores pequeños refrigerados por aire, y n = 1,2 a 1,3 para los de
capacidad superior refrigerados por agua o por alguna otra combinación técnica.
La expresión para el trabajo de compresión se muestra en la siguiente
ecuación:
2
1
V
V
W p dV= ×∫ Ecuación N° 22
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Siendo 1 1 2 2p V p V× = × Ecuación N° 23
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
2
1
2 2
1
V
V
p VW dVV×
= ×∫ Ecuación N° 24
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Operando y haciendo los oportunos cambios, se llega al procedimiento
usual de cálculo:
42
1
21 1
1
11
nnn pW p V
n p
−⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥= × × × −⎜ ⎟⎢ ⎥− ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦
Ecuación N° 25
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Y dividiendo ambos lados de la ecuación entre tiempo se tiene la
expresión de potencia:
1
21
1
11
nnn pP p Q
n p
−⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥= × × × −⎜ ⎟⎢ ⎥− ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦
Ecuación N° 26
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Compresores
Los compresores son máquinas que aspiran el aire ambiente (a presión
atmosférica) y lo comprimen hasta lograr una presión superior. La presión del
aire se eleva reduciendo el volumen específico del mismo durante su paso a
través del compresor.
Los compresores se clasifican en:
A) Compresores volumétricos
A.1) Alternativos
• Pistón
43
A.2) Rotativos
• Tornillo
• Paletas
• Roots
B) Compresores dinámicos o turbocompresores
• Radiales
• Axiales
En un compresor volumétrico es la reducción de un volumen por el
desplazamiento de un pistón alternativo o por la acción de un elemento rotativo
quien provoca un aumento de la presión.
En un compresor dinámico el fluido recibe una aceleración mediante los
rotores imprimiéndole una gran velocidad, siendo esta última convertida en
presión en los difusores y volutas. Es decir, se fundamentan en la
transformación de la velocidad en presión.
El campo de utilización de los compresores viene estipulado por su
caudal, habitualmente medido en condiciones de admisión y su relación de
compresión.
Compresores volumétricos Compresores alternativos o reciprocantes Son los más antiguos y conocidos, esto significa que, en ciertas
circunstancias, no presentan dificultades al personal encargado del
mantenimiento.
44
En estos equipos el elemento principal de compresión es un pistón que se
mueve alternativamente dentro de un cilindro, lográndose así la reducción del
volumen del gas a comprimir.
En la siguiente figura se muestra un compresor de pistón.
Figura 12. Aspiración – Compresión de un compresor alternativo Fuente: FESTO. Curso de iniciación a la neumática.
Los compresores alternativos de pistón pueden clasificarse según el
número de etapas y por el modo de trabajar del pistón.
Por el número de etapas De una etapa Estos compresores disponen de una simple etapa de compresión. Para
su refrigeración llevan, en la parte exterior, aletas que evacuan el calor por
radiación. Son utilizados para aplicaciones en donde el caudal sea limitado y en
condiciones de servicio intermitentes, pues son compresores de pequeñas
potencias.
45
De dos etapas Son compresores que tienen como característica principal que el aire es
comprimido en dos etapas; en la primera etapa (de baja presión) se comprime
hasta una presión entre 2 y 3 bar, y en la segunda etapa (de alta presión), se
comprime hasta una presión de 8 bar. Estos compresores son los más
empleados en la industria cubriendo sus caudales una extensa gama de
necesidades.
Por el modo de trabajar del pistón De simple efecto Se dice que un pistón es de simple efecto cuando trabaja sobre una sola
cara del mismo y precisamente aquella dirigida hacia la cabeza del cilindro. La
cantidad de aire desplazado es igual a la carrera por la sección del pistón.
De doble efecto El pistón es de doble efecto cuando trabaja sobre sus dos caras y delimita
dos cámaras de compresión en el cilindro. Así, la cantidad de aire desplazado es
igual a dos veces el producto de la sección del pistón por la carrera. Hay que
tener en cuenta el vástago, que ocupa un espacio obviamente no disponible
para el aire, y como consecuencia, los volúmenes creados por las dos caras del
pistón no son iguales.
Compresores rotativos Reciben el nombre de compresores rotativos las máquinas que producen
aire comprimido por un movimiento rotatorio y continuo.
46
De tornillo Esencialmente se compone de un par de rotores que tienen lóbulos
helicoidales de engrane constante.
En la siguiente figura se muestra un compresor de tornillo.
Figura 13. Compresor de tornillo Fuente: Aire comprimido. Disponible en: http://www.elprisma.com
De paletas El rotor es excéntrico en relación al estator y lleva una serie de paletas
que se ajustan contra la pared interior del estator por la acción de la fuerza
centrífuga.
47
Figura 14. Compresor de paletas Fuente: FESTO. Curso de iniciación a la neumática.
Roots Consisten en una envolvente elíptica con una rueda de paletas giratoria.
En estos compresores, el aire es llevado de un lado a otro sin que el volumen
sea modificado.
Figura 15. Compresor roots Fuente: Aire comprimido. Disponible en: http://www.elprisma.com
48
Compresores dinámicos o turbocompresores Radiales
Aceleración progresiva de cámara a cámara en sentido radial hacia
afuera; el aire en circulación regresa de nuevo al eje. Desde aquí se vuelve a
acelerar hacia afuera.
Figura 16. Compresor radial Fuente: Aire comprimido. Disponible en: http://www.elprisma.com
Axiales
La rotación de los álabes acelera el flujo de aire en sentido axial.
En la siguiente figura se muestra un compresor axial.
49
Figura 17. Compresor axial Fuente: Aire comprimido. Disponible en: http://www.elprisma.com
Depósitos de aire Los depósitos o pulmones de aire comprimido son acumuladores que
aseguran una presión de aire constante en una instalación neumática,
independientemente de un consumo fluctuante. De esta forma se pueden
compensar picos de consumo (o caídas de presión) que surgen por breve
tiempo y que el compresor no puede cubrir.
El depósito se ubica directamente a continuación del compresor y debe
estabilizar las pulsaciones de presión procedentes del compresor. También se
emplean como pulmones secundarios en lugares que requieren grandes
cantidades de aire comprimido, donde existen elementos neumáticos de trabajo
con gran consumo periódico y repentino, ya que sin el acumulador podría
desaparecer momentáneamente la presión de la red cada vez que se conectara
un gran consumidor de aire, debido al fuerte y repentino consumo.
En la mayoría de los casos debe servir también para contribuir a la
separación del condensado producido de modo que deberá preverse una purga.
50
No se debe confundir un depósito con una fuente de energía, pues
cuando el depósito actúa de acumulador, es para atender a una demanda de
aire instantánea y nunca para suministrar aire continuamente. Tampoco es
recomendable conectar varios compresores a un solo depósito. Lo que si es
conveniente en muchas circunstancias, es instalar uno o más recipientes
adicionales después del depósito principal.
La capacidad del pulmón principal en Nlts debe ser 1,2 veces mayor que
el caudal del compresor en N lts/min y se puede determinar mediante la
siguiente fórmula:
1,2 cV Q= × Ecuación N° 27
Fuente: FESTO. Iniciación a la neumática
V =Volumen del depósito (N lts)
Q =Caudal del compresor (N lts/min)
Para la determinación de la capacidad de los pulmones secundarios se
utiliza la siguiente fórmula:
Q sVp×
=Δ
Ecuación N° 28
Fuente: FESTO. Iniciación a la neumática
V =Volumen del depósito (N lts)
Q =Consumo de aire (N lts/min)
pΔ =Caída admisible de presión (bar)
s =Coeficiente de seguridad, aprox. 1.2 (bar x min)
51
Sólo el dimensionamiento correcto ofrece la garantía de un
funcionamiento rentable y sin perturbaciones.
Humedad
El agua proviene del hecho de que el aire comprimido no puede contener
todo el vapor de agua que fácilmente absorbe a presión atmosférica. Parte de
este vapor de agua se licua a medida que el aire va enfriándose por las tuberías,
ocasionando daños en los elementos neumáticos, como desgaste y oxidación.
Humedad en el aire atmosférico
Se conoce que el aire atmosférico contiene cierta proporción de
humedad. Esta proporción es mayor o menor según el país, la localidad, las
condiciones climatológicas y de acuerdo con las estaciones del año.
La aptitud del aire para retener agua vaporizada está relacionada con la
temperatura y presión, pero principalmente con la primera, admitiendo más
vapor de agua cuando aumenta su temperatura. Un aire saturado (100 % de
humedad) puede retener más humedad si aumenta la temperatura o desciende
la presión, y, por el contrario, desprende parte de su contenido de humedad si
baja la temperatura o sube la presión.
Humedad en el aire comprimido
En los sistemas de aire comprimido, el aire aspirado por el compresor
entra a la presión y temperatura ambientes, con su consiguiente humedad re-
lativa y luego se le comprime a una presión más alta que la atmosférica. Este ci-
clo de compresión lleva consigo una elevación de temperatura y, como
consecuencia, un calentamiento del aire hasta un grado tal que toda la humedad
contenida en el mismo pasará por el compresor al ser aspirado.
52
Se comprende entonces, que este aire comprimido caliente que descarga
el compresor (que lleva vapor de agua), al irse enfriando por radiación y
convección en el depósito y en las tuberías de distribución, desciende su
temperatura hasta igualar la temperatura ambiente que exista en la nave o zona
industrial, condensando la mayor parte de este vapor en forma de gotas de
agua, que finalmente serán arrastradas por el mismo flujo de aire hacia los
lugares de utilización.
Psicrometría
Por psicrometría se entiende todos aquellos procedimientos relacionados
con la medida del contenido de vapor que porta cualquier gas, sea comprimido o
no. Para este tema solo se hará alusión a la mezcla de agua/aire.
Ahora bien, en el presente estudio se van a relacionar insistentemente los
conceptos de vapor y de líquido, por lo que es conveniente proceder a su
aclaración cuando ambos puedan coexistir en un medio de aire comprimido.
El vapor de agua está configurado por moléculas independientes de agua
y las distancias entre molécula y molécula son considerables, variando sin cesar
debido al libre movimiento de las mismas. Al tratarse de moléculas unitarias no
es posible pensar en medios mecánicos para su separación.
El agua líquida, tanto en su modo habitual como cuando se presenta en
forma de gotas, micro gotas o nieblas, está constituida por agrupaciones de
moléculas que han perdido la mayor parte de su energía. En el agua líquida las
moléculas están a muy corta distancia entre sí y poseen un movimiento propio
bastante restringido. El agua líquida es estable si no hay aporte externo de
energía y cuando ello ocurre, esta energía se emplea para activar las moléculas
que entonces se escapan libres y pasan a vapor.
53
La condensación se refiere al paso de vapor a líquido, implicando con ello
una pérdida de energía denominada calor de condensación.
A lo largo del presente tema habrá que distinguir entre el agua líquida,
constituyente de las gotas, nieblas o núcleos de condensación, y el vapor de
agua. Por tanto, el término humedad se referirá exclusivamente a la presencia
de vapor de agua; cuando se trate de agua líquida se utilizarán conceptos tales
como condensados, arrastres, nieblas o micro gotas, según lo que se pretenda
cornentar.
Humedad absoluta o específica ( )ω
El vocablo humedad expresa la condición del aire con respecto a la
cantidad de vapor de agua que contiene; luego, la humedad absoluta (densidad
del vapor) se refiere a la cantidad de vapor de agua contenido en una
determinada cantidad de aire seco.
De acuerdo con la definición, se describe la humedad absoluta como la
cantidad de vapor de agua expresada en kg, contenida en un kg de aire seco.
( / ) v
a
m Kg vapor de agua Kg aire secom
ω =
Ecuación N° 29 Fuente: Dr. Yunus A. Cengel y Dr. Michael A. Boles (1994). Termodynamics an
engineering approac. McGraw – Hill, inc.
0,4615 / , 0,287 /v aR Kj Kg K R Kj Kg K= × = ×
/ / 0,622/ /
v v v v v v
a a a a a
m p V R T p R pm p V R T p R p
ω × ×= = = =
× ×
54
0.622 ( / )v
v
p Kg vapor de agua Kg aire secop p
ω ×=
−
Ecuación N° 30 Fuente: Dr. Yunus A. Cengel y Dr. Michael A. Boles (1994). Termodynamics an
engineering approac. McGraw – Hill , inc.
ω = Humedad absoluta en kg de vapor de agua por kg de aire seco.
vp = Presión parcial del vapor de agua.
p = Presión total del sistema.
ap = Presión parcial del aire seco.
Humedad de saturación ( )gω
La humedad de saturación podría plantearse como la máxima cantidad de
vapor de agua que puede caber en una concreta cantidad de aire. Ello significa
que un volumen determinado de aire seco puede contener, a una presión y
temperatura dadas, cualquier cantidad de vapor de agua siempre que no supere
un valor máximo, el valor de saturación. Como consecuencia, el peso del vapor
de agua contenido en el aire a una temperatura y presión referidas, podrá variar,
partiendo desde cero para el aire seco, hasta el máximo admisible.
0.622
( / )gg
g
pKg vapor de agua Kg aire seco
p pω
×=
−
Ecuación N° 31 Fuente: Dr. Yunus A. Cengel y Dr. Michael A. Boles (1994). Termodynamics an
engineering approac. McGraw – Hill , inc.
gω = Humedad de saturación en kg de vapor de agua por kg de aire seco.
gp = Presión de vapor saturado.
p = Presión total del sistema.
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Si en un ambiente de aire saturado se agrega más agua líquida, la
humedad de saturación permanecería constante y la totalidad del agua añadida
se mantendría en su estado líquido sin evaporarse.
Influencia de la temperatura en la humedad de saturación, a presión constante
Se comprende sin dificultad que un aumento de la temperatura en un
sistema de aire húmedo implica un aumento del contenido energético de las
moléculas de vapor de agua constituyentes de la humedad del aire. Es decir,
aumentando la temperatura, se aumenta la presión de vapor vp , y aumentando
vp , aumentará la humedad de saturación. Disminuyendo la temperatura del aire,
también disminuirá la presión de vapor vp y por lo tanto disminuirá la humedad
de saturación.
En un ambiente saturado, bien sea de aire comprimido o de aire a la
presión atmosférica, la humedad absoluta llega a ser el valor de la humedad de
saturación, verificándose que gω ω= .
Si en este ambiente se realiza un aumento de la temperatura, la humedad
absoluta continuará siendo la misma pero la de saturación se incrementará
según lo dicho anteriormente, y se confirmará que gω ω> , con lo cual el
ambiente considerado dejará de ser saturado.
Por el contrario, si en el aire comprimido saturado se produce una
disminución de la temperatura, se comprobará que la humedad de saturación
disminuye, pero como ya existe una determinada humedad inicial absoluta, no
habrá otra posibilidad que la de proceder a una continua disminución de la
misma. Esta disminución se materializará en condensación, es decir, por paso
de fase vapor a fase líquida. Esto significa que todo descenso de temperatura en
56
un sistema de aire comprimido saturado implicará un desprendimiento de agua
líquida.
Humedad relativa ( )φ
Es una relación entre la humedad absoluta y la humedad de saturación de
un vapor a unas condiciones determinadas de humedad y temperatura. Se
representa como un porcentaje que determina cual es el grado de humedad
presente en el aire. Se puede representar con las siguientes fórmulas:
100g
ωφω
= × Ecuación N° 32
Fuente: Dr. Yunus A. Cengel y Dr. Michael A. Boles (1994). Termodynamics an
engineering approac. McGraw – Hill , inc.
100v
g
mm
φ = × Ecuación N° 33
Fuente: Dr. Yunus A. Cengel y Dr. Michael A. Boles (1994). Termodynamics an
engineering approac. McGraw – Hill , inc.
100v
g
pp
φ = × Ecuación N° 34
Fuente: Dr. Yunus A. Cengel y Dr. Michael A. Boles (1994). Termodynamics an
engineering approac. McGraw – Hill , inc.
Una humedad relativa del 100 % denota que se trata de un ambiente
saturado, es decir cuando gω ω=
Una humedad relativa del 0 % testimonia que concurre un ambiente de
aire totalmente libre de humedad.
57
Punto de rocío
Uno de los conceptos clásicos para señalar el grado de humedad de un
aire comprimido o de un aire ambiente, es el punto de rocío.
Cuando un ambiente de aire atmosférico o de aire comprimido seco se
somete a un proceso de enfriamiento, la humedad de saturación del vapor va
disminuyendo. Como la humedad absoluta permanece constante, la humedad
relativa aumentará hasta que la misma alcance el 100 %. La temperatura T
evidenciada en ese momento corresponderá con el valor del punto del rocío.
No se producirán condensaciones si la temperatura del vapor en el aire se
mantiene por encima del punto de rocío. El enfriamiento de un vapor que ha
alcanzado su punto de saturación es sinónimo de condensación.
El punto de rocío se usa a nivel industrial para determinar la calidad de un
aire comprimido. Puntos de rocío muy bajos reflejan aire muy seco y por lo tanto,
de gran calidad; puntos de rocío elevados suponen aire con altas humedades
relativas.
Para un aire con cierto grado de humedad relativa:
• Inferior al 100 %, el punto de rocío será siempre inferior a la temperatura
real del ambiente considerado.
• Igual al 100 % (aire saturado), el punto de rocío coincidirá con el de la
temperatura real del ambiente considerado.
• Igual al 100 %, pero conteniendo fase líquida en suspensión (nieblas), el
punto de rocío será superior al de la temperatura real del ambiente
considerado.
58
Para un proceso de enfriamiento adiabático se observa el siguiente
comportamiento en las condiciones termodinámicas del vapor:
a) Antes de alcanzar la saturación:
• La humedad absoluta permanece constante.
• La humedad de saturación disminuye.
• La humedad relativa aumenta.
• El punto de rocío permanece constante.
b) Una vez alcanzada la saturación:
• La humedad absoluta disminuye.
• La humedad de saturación disminuye
• La humedad relativa permanece al 100 %.
• El punto de rocío disminuye.
• Se produce eliminación de agua líquida.
Para un proceso de calentamiento adiabático se observa el siguiente
comportamiento en las condiciones termodinámicas del vapor:
• La humedad absoluta permanece constante.
• La humedad de saturación aumenta.
• La humedad relativa disminuye.
• El punto de rocío permanece constante.
59
Concepto y cálculo de condensados, separados y arrastres líquidos 1) Condensados (C):
Se refiere a la formación de fase líquida generada en un proceso
concreto. En el caso presente se originarán condensados por enfriamiento en el
refrigerador. Se entiende que Condensados = separados + arrastres.
C L A= + Ecuación N° 35 Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
47,2 10 ( )c i fC Q X ω ω−= × × × − Ecuación N° 36
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
' i fC ω ω= − Ecuación N° 37
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
C =Caudal de condensados formados en /lts h
G =Caudal de aire comprimido producido en el compresor en 3 /N m min
X =Porcentaje de servicio en carga del compresor, en %
´C =Caudal de condensados formados en /v ag Kg
iω =Humedad inicial
fω =Humedad final
2) Separado (L):
Se alude a la fracción de condensado que es eliminada al exterior del
sistema de aire comprimido motivado por la acción separadora de los distintos
equipos.
60
Si existe condensación (refrigeradores, secadores frigoríficos):
100C EL ×
= Ecuación N° 38
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
´100
C EL ×= Ecuación N° 39
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Si no existe condensación (depósitos, separadores):
100A EL ×
= Ecuación N° 40
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
´100A EL ×
= Ecuación N° 41
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
L =Caudal de separados en /lts h
´L =Caudal de separados en /g Kg
E =Eficacia de separación del separador en %
3) Arrastres (A):
Se trata de la porción de condensados que no es separada al exterior y
en consecuencia es transportada en fase líquida, niebla o micro gotas, con el
aire comprimido.
61
Si existe condensación (refrigeradores, secadores frigoríficos):
A C L= − Ecuación N° 42 Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
´ ´ ´A C L= − Ecuación N° 43 Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Si no existe condensación (depósitos, separadores):
100E
SA EA ×
= Ecuación N° 44
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
´´100
ES
A EA ×= Ecuación N° 45
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
A =Caudal de arrastres en /lts h
SA =Caudal de arrastres a la salida en /lts h
EA =Caudal de arrastres a la entrada /lts h
A =Caudal de arrastres en /g Kg
´SA =Caudal de arrastres a la salida en /g Kg
´EA =Caudal de arrastres a la entrada /g Kg
Tratamiento del aire a la salida del compresor
El aire atmosférico aspirado por el compresor contiene siempre una
cantidad de humedad en forma de vapor de agua. En la aspiración y compresión
del aire atmosférico llega el agua, en forma de vapor, a la red de aire
62
comprimido, así como aceite residual proveniente de la lubricación del
compresor.
Las condensaciones de vapores de agua y el contenido de aceite causan
una serie de inconvenientes tales como:
• Corrosión en tuberías metálicas, cilindros neumáticos y otros
componentes. Con ésta, el desgaste aumenta y el mantenimiento resulta
costoso.
• Degradación del poder lubricante de los aceites de engrase.
• Contaminación y daños en lugares de contacto directo del aire
comprimido con bienes delicados (instalaciones de pintado, industria de
productos alimenticios, etc.).
Deshumidificación Deshumidificadores
Para el secado o deshumidificación del aire comprimido, industrialmente
se disponen de diversos métodos, dependiendo el empleo de cada uno de ellos
de la calidad que se desea lograr en el aire comprimido. A continuación se
describen los diferentes sistemas:
Refrigerador posterior
Una primera posibilidad para reducir el porcentaje de agua contenida en
el aire consiste en emplear un refrigerador posterior. Este se basa en el principio
de la refrigeración del aire por agua o aire frío. En la siguiente figura se observa
un refrigerador posterior de agua.
63
Figura 18. Refrigerador posterior Fuente: FESTO. Curso de iniciación a la neumática.
El aire calentado por el compresor se enfría en aletas de refrigeración
bañadas por aire o agua. Al disminuir la temperatura del aire a un valor inferior al
del punto de saturación (punto de condensación), se separa agua condensada.
Secador por absorción
El secado por absorción es un proceso puramente químico. La humedad
del aire comprimido se combina con el agente secante que se encuentra en un
recipiente. El desecante se disuelve y sale en estado líquido por el fondo del
recipiente.
El procedimiento de absorción se caracteriza por:
• Simple montaje de la instalación.
• Reducido desgaste mecánico (no hay piezas móviles).
64
• No se requiere de energía externa de aportación.
Sin embargo, el secado por absorción tiene hoy en día poca importancia
en la práctica, debido a que son equipos costosos y de bajo rendimiento.
Secador por adsorción
Los más altos puntos de condensación (hasta -70°C) se alcanzan
mediante el secado por adsorción. En este proceso se conduce el aire
comprimido a través de un gel, en cuya superficie va depositándose el agua,
siendo adsorbida. En la siguiente figura se observa un refrigerador posterior de
agua.
Figura 19. Secador por adsorción Fuente: FESTO. Curso de iniciación a la neumática.
65
En la práctica se trabaja con dos depósitos. Cuando se satura el gel en
uno de los recipientes, se conduce el caudal de aire al segundo recipiente y se
regenera el primero. El material de secado se regenera de forma simple; se
sopla aire caliente a través del secador, el cual condensará la humedad.
La capacidad de almacenado del material de secado es limitada. Bajo las
condiciones normales se debe cambiar el material de secado cada 2-3 años.
Secador por refrigeración
Los más usados son, hoy en día, los secadores por refrigeración.
Trabajan con economía, seguridad y requieren poco mantenimiento. Si se enfría
el aire comprimido a una temperatura más baja que el punto de rocío, aparece
condensación y se separa el agua. Para el secado por frío, se conduce el aire
comprimido a través de un sistema de intercambio térmico, bañado por un
agente frigorífico. En la siguiente figura se observa un refrigerador posterior de
agua.
El aire a secar pasa por el intercambiador de calor en la primera parte de
la instalación. Allí se enfría el aire comprimido caliente y debido a esto, se
separa parte del agua y el aceite. La refrigeración se realiza en el serpentín del
aparato de refrigeración. En la siguiente figura se observa un secador por
refrigeración.
66
Figura 20. Secador por refrigeración Fuente: FESTO. Curso de iniciación a la neumática.
El aire pre-enfriado, en una primera etapa, pasa a través del serpentín por
donde circula el líquido de refrigeración y nuevamente se separa el agua y las
impurezas de aceite restantes. El aire comprimido limpio y seco vuelve
nuevamente a la primera etapa del secador, sale por el secundario, y efectúa la
pre-refrigeración del aire comprimido caliente que entra por el primario.
Las paredes interiores sucias, pueden influir en el funcionamiento de este
secador. Por este motivo, se debe colocar un filtro previo para separar grandes
gotas de aceite y partículas de suciedad.
Con este sistema se pueden alcanzar puntos de condensación de 2 °C a
5 °C.
67
Separador de aceite
Hasta hace pocos años se solía opinar que el aceite proporcionado por el
compresor se podía emplear como lubricante para los elementos de trabajo. Hoy
en día se sabe que no es así; por el calor que reina en el compresor, el aceite
pierde sus propiedades lubricantes y es coquizado, lo que lleva a que tenga un
efecto abrasivo en cilindros y válvulas, cuya duración puede disminuir
considerablemente. El aceite se deposita, además, en las paredes interiores de
las tuberías, desde donde será arrastrado incontroladamente por el flujo de aire
después de algún tiempo. Una tubería en este estado no se puede limpiar sin
desmontar.
Entonces una exigencia fundamental debería ser: eliminar el aceite
proporcionado por el compresor empleando un separador de aceite.
En la siguiente figura se muestra una instalación completa de producción
y acondicionamiento de aire comprimido.
Figura 21. Configuración de una sala de compresores Fuente: FESTO. Curso de iniciación a la neumática.
68
Tratamiento del aire en los puntos de aplicación Además del tratamiento del aire a la salida del compresor, es conveniente
la colocación de filtros en los puntos de aplicación, para eliminar residuos de
aceite, vapor de agua y pequeñas impurezas procedentes de la atmósfera, y que
no han sido eliminadas (partículas sólidas).
Por otro lado, la condición de que los elementos neumáticos reciban una
presión de aire constante, sin fluctuaciones, es muy ventajosa para que no
sufran esfuerzos inadmisibles que provoquen un acortamiento en su vida, así
como para que no tengan un funcionamiento irregular.
Igualmente, los elementos neumáticos deben lubricarse para que
mantengan una duración y un rendimiento razonable, pues, como cualquier
mecanismo con partes móviles, el engrase evita un envejecimiento prematuro.
Por ello, se debe incorporar al sistema:
• Filtros separadores.
• Reguladores de presión.
• Lubricadores (en algunos casos).
No debiendo olvidar que estas unidades de mantenimiento se montarán lo
más contiguo que se pueda del punto de aplicación.
Sin embargo, hoy en día muchos de los elementos neumáticos trabajan
sin lubricación. La lubricación es usada solo en los casos donde:
• El émbolo es de gran diámetro.
• Las frecuencias de trabajo son altas.
• Los recorridos (carrera) son grandes.
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Filtro separador con regulador de presión
En la siguiente figura se muestra un filtro separador con regulador de
presión.
Figura 22. Filtro separador con regulador de presión Fuente: Aire comprimido. Disponible en: http://www.elprisma.com
Para entrar en el recipiente (1), el aire comprimido tiene que atravesar la
chapa deflectora (2) provista de ranuras directrices. Como consecuencia se
somete a un movimiento de rotación. Los componentes líquidos y las partículas
grandes de suciedad se desprenden por el efecto de la fuerza centrífuga y son
arrojadas contra la pared interior, acumulándose en la parte inferior del
recipiente.
El aire pasa entonces por el filtro (4), donde quedan retenidas las
partículas mayores que el tamaño de los poros del cartucho filtrante. Los
70
cartuchos se clasifican por su cifra en micrones, y esta cifra indica la medida de
la partícula más pequeña que puede detener un filtro.
El aire comprimido limpio pasa entonces por el regulador de presión y de
aquí a los consumidores.
La condensación acumulada en la parte inferior del recipiente (1) se
deberá vaciar antes de que alcance la altura máxima admisible, a través del
tornillo de purga (3). Si la cantidad que se condensa es grande, conviene montar
una purga automática de agua.
Regulador de presión
El regulador de presión tiene la misión de mantener la presión de trabajo
lo más constante posible, independientemente de las variaciones de la presión
en la red y del consumo de aire. La presión de entrada siempre debe ser mayor
que la presión de trabajo.
Figura 23. Regulador de presión Fuente: Aire comprimido. Disponible en: http://www.elprisma.com
71
Es regulada por la membrana (1), que es sometida, por un lado, a la
presión de trabajo, y por el otro a la fuerza de un resorte (2), ajustable por medio
de un tornillo (3).
A medida que la presión de trabajo aumenta, la membrana actúa contra la
fuerza del muelle. La sección de paso en el asiento de válvula (4) disminuye
hasta que la válvula cierra el paso por completo. En otros términos, la presión es
regulada por el caudal de aire que circula.
Al tomar aire, la presión de trabajo disminuye y el muelle abre la válvula.
La regulación de la presión de salida consiste, pues, en la apertura y cierre
constante de la válvula. Al objeto de evitar oscilaciones, encima del platillo de
válvula (6) hay dispuesto un amortiguador neumático o de muelle (5). La presión
de trabajo se visualiza en un manómetro.
Cuando la presión de trabajo aumenta demasiado, la membrana es
empujada contra el muelle, abriéndose el orificio de escape en la parte central
de la membrana y el aire puede salir a la atmósfera por los orificios de escape
existentes en la caja.
Lubricador
En la siguiente figura se muestra un lubricador de aire comprimido.
72
Figura 24. Lubricador Fuente: Aire comprimido. Disponible en: http://www.elprisma.com
El lubricador que se muestra trabaja según el principio Venturi.
El aire comprimido atraviesa el aceitador desde la entrada (1) hasta la
salida (2). Por el estrechamiento de sección en la válvula (5), se produce una
caída de presión. En el canal (8) y en la cámara de goteo (7) se produce una
depresión (efecto de succión). A través del canal (6) y del tubo elevador (4) se
aspiran gotas de aceite. Estas llegan, a través de la cámara de goteo (7) y del
canal (8) hasta el aire comprimido, que afluye hacia la salida (2). Las gotas de
aceite son pulverizadas por el aire comprimido y llegan en este estado hasta el
consumidor.
Al variar el estrechamiento en la válvula (5), varía la cantidad de aire que
pasa, la caída de presión y con esto la cantidad de aceite. En la parte superior
del tubo elevador (4) se puede realizar otro ajuste de la cantidad de aceite, por
medio de un tornillo.
73
Una determinada cantidad de aceite ejerce presión sobre el aceite que se
encuentra en el depósito, a través de la válvula de retención (3).
Pérdidas de presión
Aunque el aire existe en todo nuestro alrededor, industrialmente carece
de aprovechamiento si no se le comprime a una presión mucho más alta que la
atmosférica. Este proceso de compresión cuesta dinero. En primer lugar, hace
falta un capital a invertir en la adquisición del compresor, red de tuberías y
equipos neumáticos; en segundo lugar, hay que considerar los gastos de
mantenimiento y conservación. Por lo tanto, es preciso lograr, por todos los
medios, rentabilidad a esta inversión, y la única forma de conseguirla es
mantener continuamente la presión de trabajo desde que sale del compresor
hasta el último punto de empleo.
Pérdida de presión = pérdida de potencia
En condiciones normales de funcionamiento, la mayor parte de las
herramientas y equipos neumáticos están construidos para obtener su máximo
rendimiento a una presión de trabajo comprendida entre 6 y 7 bar en la misma
herramienta o en el mismo equipo neumático, que equivale a entender allí en
donde el aire comprimido se expansiona devolviendo parte de la energía
almacenada. El aire comprimido no es otra cosa que una fuente de energía
utilizable mediante su expansión debiendo conseguir que la conserve hasta
llegar a los elementos que la van a usar.
Nunca se debe olvidar que no es igual presión de aire en el compresor
que presión de aire en el puesto de aplicación. Normalmente, la presión de
descarga final o presión de trabajo en los compresores es de 7 bar; pero hemos
de tener presente que entre el grupo compresor y el sitio de aplicación, donde la
fuerza neumática ha de prestar servicio, se encuentra un depósito de aire, las
74
unidades de depuración y una vasta red de tuberías que distribuyen el aire
comprimido por toda la planta industrial, añadiendo los acoplamientos rápidos,
filtros, mangueras, conexiones, etc., que impiden el logro de conseguir que toda
la energía (presión) se transmita íntegramente a la máquina cuyo fin es utilizarla.
Ahora bien, lo que sí es posible es limitar esas pérdidas de presión a unos
valores relativamente pequeños y que sean admisibles en la práctica.
Se recomienda que la caída de presión del total de la instalación se
establezca en un máximo de 0,6 bar. A continuación se incluyen pérdidas de
presión admisibles, todas ellas referidas a una presión de trabajo de 7 bar.
• Refrigerador posterior de agua..................................... 0,09 bar
• Refrigerador posterior de aire....................................... 0,09 bar
• Secadores frigoríficos................................................... 0.20 bar
• Secadores de adsorción............................................... 0,30 bar
• Separadores cerámicos................................................ 0,10 bar
• Red de tuberías............................................................. 0,14 bar
• Filtros en general.......................................................... 0,15 bar
En conclusión, si por un deficiente proyecto de instalación, la presión de
trabajo que pide la herramienta o el equipo neumático no puede mantenerse, la
potencia de las máquinas y útiles neumáticos decrece en mayor proporción que
lo hace la presión, repercutiendo en su rendimiento.
Cálculo de las pérdidas de presión
Un flujo típico de aire comprimido a través de una tubería recta de hierro o
acero, se considera para los efectos de cálculo como turbulento y con número
de Reynolds menor que 10.000.
75
En estas condiciones, es imposible aplicar fórmulas que no sean
experimentales. La más común es la siguiente:
8 1,85
5
1,6 10 q Lpd p
× × ×Δ =
× Ecuación N° 46
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Donde :
pΔ = Caída de presión ( bar )
d = Diámetro interno ( mm )
L = Longitud ( mts )
p = Presión absoluta inicial ( bar )
q = Caudal de aire libre ( Nm3 / s )
Los accesorios de línea y segmentos de tubería no rectos tienen sus
caídas de presión expresadas en forma de longitud de tubería equivalente. En el
Anexo N° 2, se observan estos valores.
Pérdida de presión en las unidades de mantenimiento
Algunos de los fundamentos más destacados que motivan la pérdida de
presión en la unidades de mantenimiento son:
• Grupo inadecuado (sección de paso insuficiente para la demanda de
aire).
• Obstrucción en la circulación del aire (incrustaciones, partículas sólidas).
• Cartucho de filtro engrasado, apelmazamiento de suciedad alrededor del
mismo que impide el paso de aire.
76
Si ninguno de los casos anteriores se presenta, la pérdida de presión en
las unidades de mantenimiento se puede despreciar.
Pérdida de presión en el refrigerador posterior La pérdida de carga, en la que intervienen diversos factores relacionados
con el material de los tubos, velocidad, etc., puede determinarse mediante la
siguiente fórmula:
p c FΔ = × Ecuación N° 47
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
nL GF
p s⎛ ⎞= ×⎜ ⎟⎝ ⎠
Ecuación N° 48
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Donde:
F = Factor adimensional
c = Pérdida de presión de Fanning
p = Presión absoluta
G = Caudal de aire en condiciones normales
s = Sección total del haz tubular por donde pasa el aire
n = 1,8 aproximadamente
L = Longitud del tubo
La pérdida de Fanning se calcula con la siguiente fórmula:
77
2
2 f v Lc
D
ρ−⎛ ⎞× × × ×⎜ ⎟
⎝ ⎠= Ecuación N° 49
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Donde:
v−
= Velocidad promedio del fluido
L = Longitud del tubo
D = Diámetro
ρ = Densidad
f = Factor para tubos lisos
El factor para los tubos lisos es:
( ) 0,2 4 60,48 10 10f Re Re−= × → < <
( ) 0,35 3 40,193 3 10 10f Re Re−= × → × < <
Pérdidas de presión admisibles por fugas En la práctica es imposible suprimir las fugas de aire comprimido.
Generalmente aparecen imperceptibles en uniones, válvulas y otros accesorios
generando grandes pérdidas de caudal en el sistema. Por esto es vital tomarlas
en cuenta cuando se va a seleccionar un compresor. Se asume un porcentaje
entre el 10 y el 15 % de la capacidad del compresor en N lts/m3 para considerar
las pérdidas de aire por fugas.
78
Estudio de una instalación de aire comprimido
Consumo instantáneo (Q instantáneo)
Se llama consumo instantáneo de una herramienta o equipo al consumo
de aire requerido para servicio continuo a la presión de trabajo dada por el
fabricante. Se expresa en aire libre (litros por minuto o N m3/min).
• Cilindros neumáticos: El consumo de aire instantáneo para puede
calcularse conociendo el diámetro del cilindro, su carrera, el número de
carreras y la presión de servicio; de este modo se tiene:
a) Cilindro de simple efecto:
( / )Q s n q N lts min= × × Ecuación N° 50
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
b) Cilindro de doble efecto:
( )2 ( / )Q s n q N lts min= × × Ecuación N° 51
Fuente: Carnicer Royo (1991). Aire comprimido. Madrid: Paraninfo
Q =Consumo de aire total en N lts/min
q =Consumo de aire por centímetro de carrera en N lts/min (Anexo N° 3)
s =Carrera por centímetro
n = 1 carrera/min, para cilindros con menos de una carrera por minuto
n =Número de carreras por minuto, para cilindros con más de una
carrera por minuto
• Sopladores: El consumo instantáneo se obtiene de la tabla (Anexo N° 4).
79
Consumo real (Q real) Se entiende que todas las máquinas y unidades de trabajo poseen una
frecuencia de trabajo. Esta frecuencia hace que todas las unidades no
consuman aire comprimido al mismo tiempo pues cuando unas funcionan otras
están en su tiempo de descanso. El consumo que considera las frecuencias de
trabajo es el consumo real.
• Cilindros de trabajo: Las frecuencias de trabajo se pueden considerar de
dos formas dependiendo del caso.
a) Midiéndolas directamente del equipo:
Se recalcula el consumo, sea para un cilindro de simple o doble efecto,
pero con:
n =Número de carreras por minuto, tanto para cilindros con menos de
una carrera por minuto como para cilindros con más de una carrera por
minuto.
b) Multiplicando el consumo instantáneo por un coeficiente de utilización.
• Sopladores: El consumo instantáneo que se obtiene de la tabla (Anexo
N° 4) se multiplica por su coeficiente de utilización.
Coeficiente de utilización Es un factor que representa el porcentaje del tiempo en el que un equipo
esta en uso y por tanto consumiendo aire.
80
Capacidad de los compresores Para evaluar la capacidad de un compresor es necesario conocer el
consumo real de cada dispositivo, equipo y herramienta así como de sopladores
y mangueras para luego sumarlos. A este total se le debe considerar un
porcentaje por fugas y otro, alrededor del 20%, por futuras ampliaciones.
Diseño de una instalación de aire comprimido
Una vez establecidos los puntos de consumo, para completar el diseño de
la instalación basta tener en cuenta los siguientes requisitos:
• Trazado de la red según la configuración del edificio y las actividades que
se desarrollan dentro de la planta industrial, escogiendo el mejor itinerario
para la tubería principal.
• Tendido de la tubería de modo que, sistemáticamente, se elijan las
distancias más cortas y procurando que las conducciones sean lo más
rectas posibles, para lo cual hay que evitar, siempre que se pueda,
innecesarios cambios de dirección, codos dobles, curvas, piezas en “T”,
derivaciones y reducciones de sección.
• Montaje siempre aéreo de la red de tuberías, pues así se consigue una
mejor inspección y un buen mantenimiento. Normalmente, se cuelga o
suspende de los techos o paredes del edificio; con ello se facilita la
disposición de las bajadas de servicio y los puntos de drenaje.
• No deben hacerse nuevas tomas o salidas de aire en tuberías existentes
sin comprobar antes si sus diámetros son suficientes para una cantidad
adicional de aire comprimido.
81
• Las tuberías principales deben ser ampliamente dimensionadas para
poder atender la demanda de aire sin pérdida excesiva de presión y estar
ligeramente inclinadas (de 1/200 a 1/400) en el sentido del flujo del aire, a
fin de que el agua que se condense drene en la misma dirección que
tiene el aire comprimido, colocando en el extremo de la tubería, un ramal
de bajada provisto de una purga manual o automática para evacuar el
agua acumulada.
• Las tomas de aire para bajantes o tuberías de servicio no deben hacerse
nunca en la parte inferior de la tubería, sino por la parte superior, a fin de
evitar que el agua condensada que circula, por efecto de la gravedad
pueda ser recogida y llevada a los distintos equipos neumáticos
conectados.
No importa que a la salida del compresor se disponga de un equipo de
tratamiento del aire (refrigerador posterior, secador y filtros) para seguir las indi-
caciones anteriores. En un determinado momento pueden estropearse y quedar
fuera de servicio. Hay que prevenir tal contingencia.
82
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
Tipo de investigación Esta investigación es una investigación de campo de tipo factible.
El proyecto que se va a desarrollar es una investigación de campo porque
entra en un área de estudio a través de la cual los datos se recogen de manera
directa de la realidad en su ambiente natural, con la aplicación de determinados
métodos de investigación. El campo esta conformado por el sistema de tuberías
de Pastas Capri C.A.
El proyecto que se va a desarrollar es de tipo factible porque su
materialización está dentro de los intereses de la empresa.
Procedimiento metodológico Para detectar la causa de los problemas existentes en el sistema de aire
comprimido de Pastas Capri C.A., se procede de la siguiente manera:
Evaluación del consumo y la generación del aire comprimido Consiste en verificar si el compresor es capaz de generar el caudal de
aire comprimido que se demanda en la planta. Para esto se determina el caudal
de consumo y se compara con el caudal que genera el compresor.
83
Determinación del caudal de consumo
Se ubican las zonas de la planta donde se utiliza aire comprimido y se
determina el caudal de consumo de cada una para obtener la demanda de la
planta.
Determinación del caudal generado Se determina el caudal de aire comprimido que es capaz de generar el
compresor.
Comparación entre el caudal de consumo y el caudal de generación
Se compara el caudal de consumo de la planta con el caudal que genera
el compresor para verificar si satisface la demanda.
Pérdidas de presión en el sistema actual Se calcula la pérdida de presión en el sistema actual para comprobar si
cumple con el valor admisible.
Evaluación de la red de tuberías
Se representa la red en un overplot para facilitar su visualización. Luego
se procede a realizar las isometrías para identificar los problemas de distribución
y disposición de la red actual.
84
Estudio de la calidad del aire Se hace un estudio de la humedad, de las partículas sólidas y del
contenido de aceite en el aire comprimido para comprobar si cumple con los
valores de calidad exigidos.
Desarrollo de la propuesta de mejora
Luego de evaluar el sistema actual y conseguir la causa de los problemas
existentes, se desarrolla un nuevo sistema de aire comprimido que permita
satisfacer los requerimientos de la planta.
85
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS Y RESULTADOS
Análisis del sistema actual Evaluación del consumo y la generación del aire comprimido
Se ubican las zonas de la planta donde se utiliza aire comprimido:
• Líneas de producción.
• Empaquetadoras.
• Taller de mecánica y mantenimiento.
• Limpieza.
• Silos de almacenamiento de materia prima.
• Molino.
Determinación de los caudales instantáneos
Se calculan los consumos instantáneos de las máquinas y los dispositivos
que usan aire comprimido para su funcionamiento, usando el siguiente criterio:
• Los caudales no disponibles en manuales que se refieren a cilindros
neumáticos, se calculan mediante las ecuaciones del marco teórico.
• Los caudales no disponibles en manuales que se refieren a otros
dispositivos, se obtienen al convertirlos en cilindros equivalentes que
permitan usar las ecuaciones del marco teórico.
86
• Los caudales no disponibles en catálogos que se refieren a herramientas
neumáticas, como pistolas de pintar, etc. se obtienen del Anexo N° 5.
• Los caudales que se refieren a descargas por orificios y consumos de
limpieza, se obtienen del Anexo N° 4.
1) Líneas de producción y empacadoras
Se procede a calcular todos los consumos por líneas incluyendo su
respectivo sistema de empaque. Las empacadoras (Anexo N° 6) y las
enfardadoras (Anexo N° 7) poseen información de sus consumos, además se
considera que algunas están modificadas con dispositivos neumáticos ajenos a
su configuración inicial con el fin de optimizarlas. Estas modificaciones hacen
que el consumo en la máquina aumente con respecto al original.
- Pasta Corta N° 1
A) Trabatto
• Válvula de agua caliente para control de la temperatura:
La válvula de agua caliente no es un cilindro neumático por lo tanto para
usar la ecuación N° 50 se debe llevar a un cilindro equivalente de simple efecto.
La válvula posee la forma de un cono truncado con las siguientes
características:
Diámetro mayor = 10 cm
Diámetro menor = 7 cm
Altura = 8 cm
87
Se utiliza la ecuación para calcular el volumen de un cono truncado:
2 21 ( )3
V h r rR Rπ= + +
R = Radio mayor
r = Radio menor
h = Altura
13
V π= x 8cm x ( ) ( )( )2 23,5 3,5 5 (5 )cm cm cm cm⎡ ⎤+ +⎣ ⎦
3458,67V cm=
Luego se lleva este volumen al de un cilindro equivalente:
Volumen de la válvula = Área del émbolo x Carrera del pistón
Se asume 50 mm para el diámetro del émbolo del pistón:
3458670mm =250
2mm⎛ ⎞
⎜ ⎟⎝ ⎠
π x Carrera del pistón
Despejando la carrera del pistón se obtiene:
Carrera del pistón = 23,36 cm
Luego se define el cilindro equivalente de la siguiente manera:
88
Tabla 1. Cilindro equivalente. Trabatto
Presión de trabajo 2 bar Diámetro del émbolo 5 cm
s 23,26 cm q 0,058 N lts/cm n 1 Carrera / min
Un solo efecto
Fuente: Elaboración propia
Cálculo del caudal para el cilindro equivalente. Aplicando la fórmula
N° 50:
Q n s q= × ×
1 / 23,26 0,058 /Q Carrera min cm N lts cm= × ×
1,355Q N= /lts min
B) Presecado
• Válvula de agua caliente para control de la temperatura:
Se repite el procedimiento que se usa para la válvula de agua caliente
para control de la temperatura del trabatto.
Tabla 2. Cilindro equivalente. Presecado
Presión de trabajo 2 bar Diámetro del émbolo 5 cm
s 23,26 cm q 0,058 N lts/cm n 1 Carrera / min
Un solo efecto
Fuente: Elaboración propia
1,355Q N= /lts minuto
89
• Cilindro para control de la humedad:
Tabla 3. Cilindro control de humedad. Presecado
Presión de trabajo 2 bar Diámetro del émbolo 13 cm
s 5 cm q 0,397 N lts/cm n 1 Carrera / min
Un solo efecto Fuente: Elaboración propia
1,985Q N= /lts minuto
C) Secado
• Válvula de agua caliente para control de la temperatura:
Se repite el procedimiento que se usa para la válvula de agua caliente
para control de la temperatura del trabatto.
Tabla 4. Cilindro equivalente. Secado
Presión de trabajo 2 bar Diámetro del émbolo 5 cm
s 23,26 cm q 0,058 N lts/cm n 1 Carrera / min
Un solo efecto Fuente: Elaboración propia
1,355Q N= /lts minuto
90
• Cilindro para control de la humedad:
Tabla 5. Cilindro control de humedad. Secado
Presión de trabajo 2 bar Diámetro del émbolo 13 cm
s 5 cm q 0,397 N lts/cm n 1 Carrera / min
Un solo efecto Fuente: Elaboración propia
1,985Q N= /lts minuto
D) Enfriador
• Cilindro para control de la temperatura:
Tabla 6. Cilindro control de temperatura. Enfriador
Presión de trabajo 2 bar Diámetro del émbolo 13 cm
s 5 cm q 0,397 N lts/cm n 1 Carrera / min
Un solo efecto
Fuente: Elaboración propia
1,985Q N= /lts minuto
E) Elevador Enfriador - Silos producto terminado
• Cilindro de acoplamiento para descarga a los silos:
91
Tabla 7. Cilindro de acople. Elevador enfriador - silos producto terminado
Presión de trabajo 6 bar Diámetro del émbolo 5 cm
s 23,26 cm q 0,058 N lts/cm n 1 Carrera / min
De doble efecto
Fuente: Elaboración propia
0,33Q N= /lts minuto
F) Elevador Silos producto terminado - Empacadoras
• Cilindros de acople para descarga a las empacadoras:
Tabla 8. Cilindro de acople. Elevador silos producto terminado - empacadoras
Presión de trabajo 6 bar Diámetro del émbolo 2,5 cm
s 5 cm q 0,033 N lts/cm n 1
De doble efecto Fuente: Elaboración propia
0,33Q N= /lts minuto
G) Empacadora N° 1
• Neumática instalada por el fabricante del equipo:
El caudal se obtiene del manual de uso (Anexo N° 6).
250Q N= /lts minuto
92
• Estampadora:
Tabla 9. Cilindro 1 estampadora. Empacadora N° 1
Fuente: Elaboración propia
17,672Q N= /lts minuto
Tabla 10. Cilindro 2 estampadora. Empacadora N° 1
Fuente: Elaboración propia
18,85Q N= /lts minuto
Se suman ambos consumos y se obtiene:
36,52Q N= /lts minuto
Cilindro 1 Presión de trabajo 6 bar
Diámetro del émbolo 3,2 cm s 1,5 cm q 0,056 Consumo N lts/cm n 105 Carreras / min
Doble efecto
Cilindro 2 Presión de trabajo 6 bar
Diámetro del émbolo 2 cm s 4 cm q 0,022 Consumo N lts/cm n 105 Carreras / min
Doble efecto
93
H) Empacadora N° 2
• Neumática instalada por el fabricante del equipo:
El caudal se obtiene del manual de uso (Anexo N° 6).
250Q N= /lts minuto
• Estampadora:
Tabla 11. Cilindro 1 estampadora. Empacadora N° 2
Fuente: Elaboración propia
17,672Q N= /lts minuto
Tabla 12.Cilindro 2 estampadora. Empacadora N° 2
Fuente: Elaboración propia
Cilindro 1 Presión de trabajo 6 bar
Diámetro del émbolo 3,2 cm s 1,5 cm q 0,056 Consumo N lts/cm n 105 Carreras / min
Doble efecto
Cilindro 2 Presión de trabajo 6 bar
Diámetro del émbolo 2 cm s 4 cm q 0,022 Consumo N lts/cm n 105 Carreras / min
Doble efecto
94
18,85Q N= /lts minuto
Se suman ambos consumos y se obtiene:
36,52Q N= /lts minuto
I) Enfardadora N° 1:
• El caudal se obtiene del manual de uso (Anexo N° 7).
11Q N= /lts fardo
Se producen 105 paquetes por minuto, luego:
1 12fardo = paquetes
105 /
12paquetes min
paquetes9= /fardos min
11Q = /lts fardo x 99N /fardos min
99Q N= /lts minuto
J) Enfardadora N° 2:
• El caudal se obtiene del manual de uso (Anexo N° 7).
11Q N= /lts fardo
95
Se repite el cálculo de la enfardadora N° 1, y se obtiene:
99Q N= /lts min
Análogamente se calculan los consumos para el resto de las líneas y sus
empacadoras. Todos los valores de consumos por línea se pueden ver en el
Apéndice N° 1.
La fabricación del pasticho no tiene línea de producción automatizada
pero si posee zona de empaque. Estos consumos se presentan en el Apéndice
N° 1.
2) Taller de mecánica y mantenimiento
Las tomas del taller son para el uso de herramientas neumáticas y para la
limpieza.
Los consumos se obtienen del Anexo N° 5:
• Martillo remachador ligero
330Q N= /lts min
• Presa de remaches
300Q N= /lts min
• Taladro de 3/8”
450Q N= /lts min
96
• Pistola de pintar
150Q N= /lts min .
3) Limpieza
Son 53 tomas de limpieza en la planta y todas cumplen con los siguientes
datos:
• Presión de trabajo = 7 bar
• Diámetro del orificio = 4 cm
Del Anexo N° 4 se obtiene el caudal de cada toma:
1150Q N= /lts min
Entonces el caudal total es:
60950TotalQ N= /lts min
4) Molino
• Cilindros de acople
97
Tabla 13. Cilindro de acople. Molino
Presión de trabajo 2 bar Diámetro del émbolo 5 cm
s 32 cm q 0,134 N lts/cm n 1 Carrera / min
Doble efecto 2 cilindros
Fuente: Elaboración propia
17,101Q N= /lts min
5) Silos de almacenamiento de materia prima
• Aspirador de silos Nº 1
Cada aspirador tiene cuatro orificios de descarga.
Tabla 14. Datos aspirador de silos N° 1
Presión de trabajo 6 bar Diámetro del orificio 15 cm
Fuente: Elaboración propia
Del Anexo N° 4 se obtiene que:
14200Q N= /lts min
Cada uno de los orificios se dispara con un intervalo de 25 segundos y
con un tiempo de duración de descarga de 0,5 segundos. Esta descarga se
realiza una sola vez por día. Se deduce entonces que en un minuto hay tres
disparos.
98
60 segundos →14200N lts
0,5 segundos x 3 → X = 355N lts
355Q N= /lts min
• Aspirador de silos Nº 2
Se repiten los mismos datos y el mismo procedimiento que para el
aspirador de silos Nº 1.
355Q N= /lts min
• Aspirador de silos Nº 3
Se repiten los mismos datos y el mismo procedimiento que para el
aspirador de silos Nº 1.
355Q N= /lts min
6) Otras Aplicaciones
A) Cilindro Comedor
• Apertura puerta
99
Tabla 15. Cilindro. Comedor
Fuente: Elaboración propia
0,07Q N= /lts min
B) Hidroneumático
• Compensación por aire
El hidroneumático no es un cilindro neumático por lo tanto para usar la
fórmula (marco teórico) se debe llevar a un cilindro equivalente de simple efecto.
El hidroneumático suministra agua a una bomba. Cada vez que la bomba
demanda, la altura de la columna de agua en el hidroneumático baja un HΔ y a
su vez una electroválvula permite el paso de aire para evitar que la presión
dentro del mismo caiga. Se mide el diámetro y el HΔ , se calcula el volumen y
se aproxima al volumen de aire que demanda el equipo.
HΔ = 20 cm
Diámetro = 70 cm
El hidroneumático posee forma cilíndrica. Se utiliza la ecuación para
calcular el volumen de un cilindro:
214
V d Hπ= × ×Δ
Presión de trabajo 6 bar Diámetro del émbolo 1,6 cm
s 5 cm q 0,014 N lts/cm n 1 Carrera / min
Simple efecto
100
376969,02 V cm=
Se elige un diámetro cualquiera del Anexo N° 3 y con una presión de 7
bar (presión de entrada al hidroneumático) se busca el valor de q .
4,292q N= /lts cm
Con el diámetro que se selecciona, se calcula el volumen de un cilindro
que consume 4,292 /N lts cm :
3490,874 V cm=
Se calcula cuantos litros en condiciones normales caben en un volumen
de 76969,02 cm3.
3
3
490,874 4,292 76969,02
cm N ltscm X
→
→
672,985 X N lts=
Por último se calcula el caudal instantáneo, conociendo las Carreras/min.
2672,985 6,66 10 /Q N lts Carreras min−= × ×
Determinación de los caudales reales
Una vez que se obtienen los caudales instantáneos se procede a calcular
los caudales reales para cada toma con la frecuencia de trabajo de cada
máquina, usando el siguiente criterio:
101
• Para consumos de aire no vinculados a cilindros se usa el coeficiente de
utilización.
• Para las máquinas de trabajo continuo cuyos cilindros se accionan con
una frecuencia mayor de una carrera por minuto, su caudal instantáneo
es igual al caudal real.
• Para las máquinas de trabajo continuo cuyos cilindros se accionan con
una frecuencia menor de una carrera por minuto, su caudal real se
determina multiplicando el caudal instantáneo por su frecuencia de
trabajo.
Se calculan tres ejemplos de los caudales reales en la planta:
1) Líneas de producción y empacadoras
Pasta Corta N° 1
- Trabatto
• Válvula de agua caliente para control de la temperatura
El caudal de consumo instantáneo que se obtiene en los cálculos previos
para 1n = /carrera min , es:
1,355Q N= /lts minuto
Se mide la frecuencia de trabajo de la válvula:
1 /15carrera min 0,066= /carreras min
102
Ahora se tiene que:
0,066n = /carreras min
Luego se define el cálculo de la siguiente manera:
Tabla 16. Cilindro equivalente. Trabatto. Consumo real
Presión de trabajo 2 bar Diámetro del émbolo 5 cm
s 23,26 cm q 0,058 N lts/cm n 0,066 Carreras / min
Un solo efecto
Fuente: Elaboración propia
Cálculo del caudal para el cilindro equivalente. Aplicando la fórmula N° 50:
Q n s q= × ×
0,066 / 23,26 0,058 /RealQ Carreras min cm N lts cm= × ×
0,0902RealQ N= /lts minuto
Pasta Larga N° 2
- Silos galería de pasta larga
• Cilindros de acople para llenado de pisos
El silo de pasta larga consta de ocho pisos para almacenar la pasta y
cada uno de esos pisos posee un cilindro neumático de acople. Los pisos se
llenan por orden, es decir, un cilindro tiene que esperar hasta que los siete pisos
siguientes se llenen para ocasionar un consumo de aire.
103
Se mide la frecuencia de trabajo de un solo cilindro:
1n = /16carrera horas
Como son ocho cilindros, cada dos horas hay un accionamiento por piso y
por ende un consumo de aire, entonces, desde el punto de vista de la máquina,
cada 16 horas hay 8 carreras. Esta es la frecuencia real de la máquina:
8n = /16carreras 0,5horas = /carreras hora
0,0083n = /carreras min
Luego se define el cálculo de la siguiente manera:
Tabla 17. Cilindro de acople. Silos galerías de pasta larga. Consumo real
Presión de trabajo 6 bar Diámetro del émbolo 3,2 cm
s 6 cm q 0,0561 N lts/cm n 0,0083 Carreras / min
De doble efecto Fuente: Elaboración propia
Cálculo del caudal para el cilindro de acople. Aplicando la fórmula N° 51:
2Q n s q= × × ×
2 0,0083 / 6 0,0561 /RealQ Carreras min cm N lts cm= × × ×
0,00561RealQ N= /lts minuto
El cálculo de la frecuencia para todas las máquinas con varios cilindros de
accionamiento no simultáneo se realiza de forma análoga.
104
2) Limpieza
• Son 53 tomas de limpieza de 1150Q N= /lts minuto cada una, luego:
60950Q N= /lts minuto
Se asume un factor de simultaneidad del 10%, que implica
aproximadamente 5 tomas trabajando de forma simultánea:
6095Q N= /lts minuto
Análogamente se calculan los consumos para el resto de las tomas de
toda la planta. Todos los valores de consumos se pueden ver en el Apéndice N°
1 donde aparecen identificadas según su ubicación en el overplot de la red
actual (Apéndice N° 2).
Sumando todos los Q reales se obtiene finalmente el consumo de la
planta:
9952,79 /Q N lts min=
3857,79 /Q N lts min= , sin incluir los consumos de limpieza.
Determinación del caudal generado
1) Compresor S – 4
El caudal del compresor S – 4 se obtiene de la tabla de especificaciones
que proporciona el fabricante (Anexo N° 8).
105
5900 /Q N lts min=
Comparación entre el caudal de consumo y el caudal de generación
Se compara el caudal del compresor con el caudal que demanda la
planta:
9952,79 / 5900 /N lts min N lts min>
El caudal del compresor S – 4 no cubre el caudal de consumo que
demanda la red actual, por lo que surge la interrogante: Si existe una diferencia
tan notable entre el caudal de generación y el caudal de consumo, ¿Por qué la
planta puede trabajar?
El caudal que demanda la planta se calcula estimando cinco tomas de
limpieza abiertas simultáneamente. En la planta se procura no usar más de dos
tomas de limpieza a la vez, lo que les permite trabajar pero en un estado crítico.
El caudal que demanda la planta con dos tomas de limpieza abiertas
simultáneamente se compara con el caudal del compresor, evidenciándose el
estado crítico actual:
5900 / 6157,79 /N lts min N lts min<
Sin embargo se evidencia que el caudal del compresor S – 4 permite
cubrir satisfactoriamente el caudal de consumo de las tomas de servicio:
5900 / 3857,79 /N lts min N lts min>
La solución a este problema es crear dos redes independientes, una para
limpieza y otra para servicio.
106
Evaluación de la red de tuberías
Se divide la planta en secciones enumeradas sobre el overplot (Apéndice
N° 2) y en ellas se ubican las tomas. Luego al realizar la isometría (Apéndice N°
6) se evidencian problemas de distribución y disposición tales como:
1. Tramos desordenados que recorren longitudes innecesarias para llegar a
su destino.
2. Tuberías con muchos cambios de direcciones, llenos de accesorios
innecesarios.
3. Ausencia de inclinación en las tuberías, lo que ocasiona la acumulación
de condensado en las mismas y por ende su corrosión.
4. Tomas con ausencia de bajadas en cuello de cisne, lo que propicia la
llegada de agua líquida a los dispositivos neumáticos.
5. No hay suficiente cantidad de purgas y las que hay están mal ubicadas.
No existen tampoco trampas de agua.
6. La configuración actual no facilita las ampliaciones.
Todas estas razones generan pérdidas en la presión que llega a los
dispositivos, contribuyen con los daños ocasionados a los equipos por la
humedad y entorpecen las actividades de mantenimiento en la planta.
Estas razones son suficientes para descartar totalmente el actual sistema
de tuberías y reemplazarlo con dos redes nuevas donde se eliminen los
problemas antes mencionados. Por lo tanto no es necesario calcular las
pérdidas de presión.
107
Pérdidas de presión
Solo en las mangueras y en los acoplamientos rápidos se evalúan las
pérdidas de presión puesto que son necesarios para la llegada a las tomas y
facilitan el mantenimiento.
Cálculo de la pérdida de presión en mangueras
Se muestra con un cálculo modelo como se determina la pérdida de
presión en las mangueras. Para este cálculo se utiliza el caudal instantáneo de
cada toma.
Toma 2 ( Iso. 12 )
La manguera que se utiliza para la llegada a esta toma posee las
siguientes características:
Longitud = 1,15 mts
Diámetro interno = 6 mm
Caudal = 0,33 Nlts / min
Del Anexo N° 9, para:
Longitud = 3 mts
Diámetro interno = 7 mm
Caudal = 250 Nlts / min
Se tiene que:
0,350pΔ = bar
108
De las fórmulas adjuntas al Anexo N° 9:
5
15
1
p dp dΔ
=Δ
De donde:
( )551
15 5
70,350
(6 )mmdp p
d mmΔ = ×Δ = × bar
Se obtiene un 0,756pΔ = bar , para una manguera con las siguientes
características:
Longitud = 3 mts
Diámetro interno = 6 mm
Caudal = 250 Nlts / min
De las fórmulas adjuntas al Anexo N° 9:
1 1
p Lp LΔ
=Δ
De donde:
11
(1,15 ) 0,756(3 )
L mtsp pL mts
Δ = ×Δ = × bar
Se obtiene un 0,29pΔ = bar , para una manguera con las siguientes
características:
109
Longitud = 1,15 mts
Diámetro interno = 6 mm
Caudal = 250 Nlts / min
De las fórmulas adjuntas al Anexo N° 9:
2
21 1
p Qp QΔ
=Δ
De donde:
( )
2 2
1 221
(0,33 / ) 0,29250 /
Q Nlts minp pQ Nlts min
Δ = ×Δ = × bar
Se obtiene un 75,05 10p −Δ = × bar , para una manguera de iguales
características a la que se utiliza en la toma 2 de la isometría 12.
En el Apéndice N° 18 se muestran las tomas que poseen mangueras, las
características de cada una de ellas y la caída de presión que se produce.
Las mangueras donde se produce la mayor caída de presión pertenecen
a las siguientes tomas:
• Toma 3, isometría 3.
• Toma 2, isometría 13.
• Toma 1, continuación isometría 13.
• Toma 2, continuación isometría 13.
• Toma 8, continuación isometría 13.
• Toma 7, continuación isometría 13.
110
Cálculo de la pérdida de presión en acoplamientos rápidos Del Anexo N° 10, con un diámetro de 4 mm ( diámetro del agujero interno
de paso de aire de la pieza macho de los acoplamientos que se usan en la
planta ) y con el caudal instantáneo de consumo de cada toma, se determina la
pérdida de presión que se produce.
En la siguiente tabla, se muestran las tomas que poseen acoplamientos
rápidos y la caída de presión que se produce.
Tabla 18. Acoplamientos rápidos por toma
Toma Isometría Caudal ( Nlts / min )
Δp ( bar )
4 5 6,956 - 2 13 130,5 0,1 1 cont. Iso.13 133,043 0,12 2 cont. Iso.13 133,043 0,12 3 cont. Iso.13 133,043 0,12
Fuente: Elaboración propia
Los acoplamientos donde se produce la mayor caída de presión
pertenecen a las siguientes tomas:
• Toma 2, isometría 13.
• Toma 1, continuación isometría 13.
• Toma 2, continuación isometría 13.
• Toma 3, continuación isometría 13.
111
Estudio de la calidad del aire Estudio de la humedad El criterio para evaluar la humedad del aire comprimido consiste en
comparar el valor de la temperatura de rocío a la salida del sistema de
deshumidificación con los valores admisibles.
Primero se necesitan las condiciones termodinámicas del aire atmosférico
de carrizal.
Se coloca un higrómetro en la sala de compresores con el fin de recoger
los datos de temperatura y humedad relativa. De los valores medidos (Apéndice
N° 19) se obtiene:
• Humedad relativa promedio ( φ ) = 61,63%
• Temperatura promedio = 27,28 °C
La presión atmosférica de carrizal se obtiene del Anexo N° 1. Para entrar
en la tabla se necesita la altura del lugar que proporciona la página
http://www.miranda .gov.ve/. La altura es de 1250 m de altura.
Presión atmosférica = 0,894 bar
Al tener las condiciones termodinámicas del aire se hace el estudio
psicrométrico.
1) Condiciones de aspiración
Características del aire atmosférico:
112
Tabla 19. Características del aire atmosférico
Presión atmosférica 0,894 bar
Temperatura entrada 27,28 °C
Humedad relativa 61,63 %
Fuente: Elaboración propia
Con la temperatura ambiente se entra en la tabla 1 de vapor saturado
(Anexo N° 11) y se obtiene la presión de saturación:
27,28T = 0,03627gC P° → = bar
Usando la ecuación N° 31, se calcula la humedad de saturación:
0,622 gg
T g
PP P
ω = ×−
( )
0,03630,6220,894 0,0363g
barbar
ω = ×−
/v ag Kg
26,301gω = /v ag Kg
Con este valor de la humedad de saturación se obtiene el valor de la
humedad absoluta. Con la ecuación N° 32 se tiene que:
gω ω φ= ×
26,301ω = /v ag Kg 0,6163×
113
16,21ω = /v ag Kg
2) Compresión
• Primera etapa de compresión:
Tabla 20. Datos de la primera etapa de compresión
Presión absoluta salida 3,894 bar
Temperatura salida 90 °C
Humedad absoluta 16,21 gv / Kgas
Fuente: Elaboración propia
Con la temperatura de salida de la primera etapa de compresión se entra
en la tabla 1 de vapor saturado (Anexo N° 11) y se obtiene la presión de
saturación:
90T = 0,70117gC P° → = bar
Usando la ecuación N° 31, se calcula la humedad de saturación:
( )
0,701170,6223,894 0,70117g
barbar
ω = ×−
/v ag Kg
136,59gω = /v ag Kg
Con este valor de la humedad de saturación y el valor de humedad
absoluta, se obtiene el valor la humedad relativa a la salida. De la ecuación N°
32 se tiene que:
114
/16,21 100
136,59 /v a
v a
g Kgg Kg
φ = ×
8,15φ = %
Se tiene que gω ω> , lo que indica que no hay condensación. Esto ocurre
porque hay un proceso de calentamiento durante la compresión, alejando al
vapor de su punto de rocío.
• Primer ínter enfriador:
Tabla 21. Datos del primer ínter enfriador
Presión absoluta salida 3,894 bar
Temperatura salida 30 °C
Humedad absoluta entrada 16,21 gv / Kgas
Porcentaje de servicio en carga del compresor 83,33 %
Caudal del compresor 5900 Nlts/min
Fuente: Elaboración propia
Con la temperatura de salida del ínter enfriador se entra en la tabla 1 de
vapor saturado ( Anexo N° 11 ) y se obtiene la presión de saturación :
30T = 0,0424gC P° → = bar
115
Usando la ecuación N° 31, se calcula la humedad de saturación:
6,86gω = /v ag Kg
Se tiene que gω ω> , es decir:
16,21 /v ag Kg 6,86> /v ag Kg
Esto indica que por haber un enfriamiento el vapor alcanza su punto de
rocío y condensa. El enfriamiento es isobárico. Por no haber un calentamiento
posterior al enfriamiento, el vapor sale saturado con una humedad absoluta ω
igual a la humedad de saturación 6,86gω = /v ag Kg .
Usando la ecuación N° 35 para la obtención de condensados:
47,2 10 ( )c i fC Q X ω ω−= × × × −
( )4 37,2 10 5,90 / 0,83 16,21 6,86C Nm min−= × × × × − /v asg Kg
0,033 /C lts hora=
Usando la ecuación N° 37, se calculan los condensados expresados en
/v ag Kg :
' i fC ω ω= −
( )' 16,21 6,86C = − /v ag Kg
116
' 9,35C = /v ag Kg
El agua no entra a la segunda etapa de compresión, pasa directamente a
la trampa de condensado que se ubica a la salida del compresor.
• Segunda etapa de compresión:
Tabla 22. Datos de la segunda etapa de compresión
Presión absoluta salida 3,894 bar
Temperatura salida 120 °C
Humedad absoluta entrada 6,86 g / Kg
Fuente: Elaboración propia
Con la temperatura de salida del compresor se entra en la tabla 1 de
vapor saturado (Anexo N° 11) y se obtiene la presión de saturación :
120T = 1,9848gC P° → = bar
Usando ecuación N° 31, se calcula la humedad de saturación a la salida:
178,68gω = /v ag Kg
Con este valor de la humedad de saturación y el valor de humedad
absoluta, se obtiene el valor la humedad relativa según la ecuación N° 32:
3,83φ = %
117
Se tiene que gω ω> , lo que indica que no hay condensación. Esto ocurre
porque hay un proceso de calentamiento durante la compresión, alejando al
vapor de su punto de rocío.
• Segundo ínter enfriador:
Tabla 23. Datos del segundo ínter enfriador
Presión absoluta salida 8,894 bar
Temperatura salida 50 °C
Humedad absoluta entrada 6,21 gv / Kgas
Porcentaje de servicio en carga del compresor 83,33 %
Caudal del compresor 5900 N lts/min
Fuente: Elaboración propia
Con la temperatura de salida del ínter enfriador se entra en la tabla 1 de
vapor saturado (Anexo N° 11) y se obtiene la presión de saturación:
50T = 0,1234gC P° → = bar
Usando la ecuación N° 31 se calcula la humedad de saturación:
8,75gω = /v ag Kg
Se tiene que gω ω> , luego no hay condensación. Esto se debe a que en
el proceso de enfriamiento el vapor no alcanza su punto de rocío. El enfriamiento
es isobárico.
118
Con el valor de humedad de saturación y el valor de humedad absoluta,
se obtiene el valor la humedad relativa según la ecuación N° 32:
78,31φ = %
• Trampa de condensado:
La trampa de condensado recibe los arrastres provenientes de los dos
ínter enfriadores. Es 50% efectiva para eliminar los arrastres.
Los arrastres que se eliminan se calculan usando la ecuación N° 40:
100A EL ×
=
0,033 / 50%
100lts horaL ×
=
0,0165L = /lts hora
Los arrastres en /v ag Kg que se eliminan se calculan usando la ecuación
N° 41:
''
100A EL ×
=
9,35 / 50%'
100lts horaL ×
=
' 4,67L = /v asg Kg
119
El agua que no se elimina es el 50% de los arrastres, es decir:
0,0165L = /lts hora
' 4,67L = /v ag Kg
Por no haber un cambio de temperatura, el vapor sale con una humedad
relativa de 78,31φ = % y con humedad absoluta de 6,86ω = /v ag Kg .
Durante el trayecto hasta el refrigerador se evidencia una pérdida de
temperatura de 2 °C en el aire, que no es suficiente para producir condensación
y por lo tanto mantiene una humedad absoluta de 6,86ω = /v ag Kg .
3) Refrigerador Posterior
Tabla 24. Datos del refrigerador posterior
Presión absoluta salida 8,894 bar
Temperatura entrada 48 °C
Humedad absoluta entrada 6,86 gv / Kgas
Eficacia de separación del refrigerador 75 %
Temperatura salida 34 °C
Fuente: Elaboración propia
Con la temperatura de salida del compresor se entra en la tabla 1 de
vapor saturado (Anexo N° 11) y se obtiene la presión de saturación:
34T = 0,0532gC P° → = bar
120
Usando la ecuación N° 31 se calcula la humedad de saturación:
3,74gω = /v ag Kg
Se tiene que gω ω> , es decir:
6,86 /v ag Kg 3,74> /v ag Kg
Esto indica que hay un enfriamiento y que el vapor alcanza su punto de
rocío produciéndose condensación. El enfriamiento es isobárico. Por no haber
un calentamiento posterior al enfriamiento, el vapor sale saturado con una
humedad absoluta ω igual a la humedad de saturación.
3,74gω ω= = /v ag Kg
Usando la ecuación N° 35 para calcular los condensados:
0,011C = /lts hora
Calculando los condensados expresados en /v ag Kg según la ecuación
N° 36:
' 3,11C = /v asg Kg
Se toman en cuenta los arrastres provenientes de la trampa de
condensado:
C A+ = ( )0,011 0,0165+ / 0,028lts hora = /lts hora
121
( )' ' 3,11 4,67C A+ = + / 7,79v asg Kg = /v ag Kg
Ahora se calcula, por medio de la ecuación 38, la cantidad de agua
líquida (arrastres y condensado) que se elimina en el refrigerador:
( )
100C A E
L+ ×
=
0,028 / 75%
100lts horaL ×
=
0,021L = /lts hora
De la misma forma se calcula la cantidad de agua líquida que se elimina
en el refrigerador expresada en /v ag Kg . Según la ecuación N° 39:
' 5,84L = /v ag Kg
Quiere decir que el 25% restante queda en el sistema y se consideran
arrastres:
( )0,028 0,021A = − / 0,007lts hora = /lts hora
( )' 7,79 5,84A = − / 1,95v ag Kg = /v ag Kg
122
4) Pulmón
Tabla 25. Datos del pulmón
Presión absoluta salida 8,894 bar
Temperatura 34 °C
Humedad absoluta 3,74 gv / Kgas
Eficacia de separación del pulmón 50 %
Humedad relativa 100 %
Fuente: Elaboración propia
No se consideran cambios de temperatura en el pulmón y por esto no hay
condensación.
Se calcula por medio de ecuación N° 40, la cantidad de arrastres que se
eliminan en el pulmón:
100A EL ×
=
0,007 / 50%
100lts horaL ×
=
0,0035L = /lts hora
De la misma forma se calcula por medio de la ecuación N° 41, la cantidad
de agua líquida que se elimina en el pulmón expresada en /v ag Kg :
123
' 0,98L = /v ag Kg
El 50% restante queda en el sistema:
0,0035A = /lts hora
' 0,98A = /v ag Kg
Ahora es posible conocer el valor de la temperatura de rocío para el aire
comprimido que se usa en Pastas Capri CA.
El aire está saturado como se menciona anteriormente, es decir con una
humedad relativa del 100 % y además hay presencia de agua líquida
proveniente del sistema de tratamiento de humedad, creándose un ambiente
sobresaturado que afecta los valores de temperatura del punto de rocío.
Se tiene entonces que la humedad absoluta afectada por los arrastres
( ´)ω es:
' 'Aω ω= +
( )' 3,74 0,98ω = + /v ag Kg
' 4,72ω = /v ag Kg
De la ecuación N° 30 se despeja la presión de vapor:
( )
'0,622 '
Tv
PP ωω
×=
+
124
( )0,00472 / 8,894
0,622 0,00472 /v a
vv a
g Kg barPg Kg
×=
+
0,067vP = bar
Usando la tabla 2 de vapor saturado (Anexo N° 11), entrando con
0,0059vP = bar , se encuentra la temperatura del punto de rocío:
0,067vP = 38,18Rociobar T→ = C°
La mayoría de los dispositivos que requieren aire comprimido en la planta
son cilindros neumáticos. Según el Anexo N° 12, se determina que la planta
requiere calidad 3. Este nivel exige una temperatura del punto de rocío de 2 ºC,
a presión. Al comparar este valor con el correspondiente a calidad 3 en el Anexo
N° 12, se comprueba que el aire está entrando con una temperatura de rocío
mucho mayor que la permitida.
Estudio de las partículas sólidas
Según el Anexo N° 12, el cartucho filtrante de las unidades de
mantenimiento no permite el paso de partículas cuyo tamaño exceda los 10 μm.
Según el Anexo N° 12, se determina que la planta requiere de una calidad
3 para partículas sólidas, lo que implica que el tamaño máximo para las
partículas que se tolera es de 5 μm.
El valor que garantiza FESTO en el Anexo N° 13, se aproxima a calidad 3.
Se comprueba que la planta cumple con los niveles de calidad que se exigen.
125
Estudio del contenido de aceite Según el Anexo N° 12, se determina que la planta requiere de una calidad
5 para el contenido de aceite, lo que implica que 325 /mg m de aceite sea el
máximo contenido que se tolera en la planta.
Según el Anexo N° 12, un compresor de pistones genera un máximo de 310 /mg m . Al comparar estos valores se comprueba que la planta cumple con
los niveles de calidad que se exigen.
Desarrollo del nuevo sistema
Evaluación del consumo y la generación del aire comprimido
Determinación del caudal de consumo
1) Caudal de servicio
El caudal para la nueva red de servicio es el caudal de las tomas de
servicio en la red actual, más un 30 % que incluye fugas y ampliaciones.
3857,79 / 1157,34 /Q N lts min N lts min= +
5015,127 /Q N lts min=
2) Caudal de limpieza Se comprueba experimentalmente que una presión de aproximadamente
4 bar es suficiente para limpiar.
126
Son 53 tomas de limpieza en la planta y todas cumplen con los siguientes
datos:
• Presión de trabajo = 4 bar
• Diámetro del orificio = 4 cm
Se busca el caudal instantáneo por toma en el Anexo N° 4 y se obtiene:
723Q N= /lts minuto
Se suman los 53 consumos y se obtiene:
38319Q N= /lts minuto
Se asume un factor de simultaneidad del 10%, que implica
aproximadamente 5 tomas trabajando al mismo tiempo. Luego, el caudal total
resulta:
3815,9Q N= /lts min
Asumiendo un 10 % por fugas, resulta:
4215,09 /Q N lts min=
3) Tomas – compresor auxiliar Las tomas a las cuales satisface el compresor auxiliar son las siguientes:
• Toma 1, isometría 4.
• Toma 3, isometría 3.
127
• Toma 4, isometría 3.
• Toma 1, cont. isometría 4.
• Toma 2, cont. isometría 4.
• Toma 1, isometría 1.
• Toma 1, isometría 14.
• Toma 3, isometría 12.
• Toma 2, isometría 12.
• Toma 1, isometría 5.
• Toma 2, isometría 5.
• Toma 3, isometría 5.
Al sumar todos estos caudales (Apéndice N° 1) se obtiene:
505,7 /Q N lts min=
Considerando un 10 % por fugas:
556,27 /Q N lts min=
Determinación del caudal de los compresores
1) Compresor S – 4
El caudal del compresor S – 4 se obtiene de la tabla de especificaciones
que proporciona el fabricante (Anexo N° 8):
5900 /Q N lts min=
128
2) Compresor S – 3
El caudal del compresor S – 3 se obtiene de la tabla de especificaciones
que proporciona el fabricante (Anexo N° 8):
5320 /Q N lts min=
3) Compresor Auxiliar
De la tabla de especificaciones que proporciona el fabricante (Anexo N° 8)
, se obtiene:
Potencia Nominal del motor = 4000 Watts
Presión de trabajo = 7,5 bar
De la ecuación N° 26:
1
21
1
11
nnn pP p Q
n p
−⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥= × × × − ⎜ ⎟⎢ ⎥− ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦
Se tiene:
0,355 1,35
55
1,35 8,533 10 4000 1,033 10 10,35 1,033 10
PaWatts Pa QPa
⎡ ⎤⎛ ⎞×⎢ ⎥= × × × × − ⎜ ⎟⎢ ⎥×⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦
Despejando el caudal se obtiene:
825,6 /Q N lts min=
129
Comparación entre el caudal de consumo y el caudal de generación Se verifica si la siguiente disposición de los compresores es factible:
• El compresor S – 4 para la nueva red de servicio.
• El compresor S – 3 para la nueva red de limpieza.
• El compresor auxiliar para las líneas 1, 2, 3 y 8.
1) Red de servicio Se compara el caudal del compresor S – 4 con el caudal de la nueva red
de servicio:
5900N / 5015,127 /litros min N lts min>
Se evidencia que el compresor puede satisfacer el consumo.
2) Red de limpieza
Se compara el caudal del compresor S – 3 con el caudal de la nueva red
de limpieza:
5320 / 4215,09 /N lts min N lts min>
Se evidencia que el compresor puede satisfacer el consumo.
3) Tomas – compresor auxiliar
Se compara el caudal del compresor auxiliar con el caudal que demandan
las tomas a las cuales satisface:
130
825,6 / 556,27 /N lts min N lts min>
Se evidencia que el compresor puede satisfacer este consumo.
Determinación de los pulmones
Se procede a comprobar si la capacidad de los pulmones es la requerida
para cada aplicación.
1) Pulmón principal N° 1 La capacidad del pulmón es de 1003 lts. Se calcula el volumen del
pulmón que el compresor requiere.
De la ecuación N° 27:
1,2 CV Q= ×
1,2 5900 /V N lts min= ×
7080 V N lts=
El pulmón contiene 1003 lts de aire comprimido a 7 bar. Se calcula cuanto
aire en condiciones normales contiene. Usando la ecuación N° 3:
1 1 2 2P V P V× = ×
8,033 1003 7799,7
1,033 bar ltsV V N lts
bar×
= → =
131
Este valor se compara con el volumen del pulmón que el compresor
requiere:
7799,7 7080 N lts N lts>
Se comprueba que el pulmón principal N° 1 se puede utilizar con el
compresor S – 4.
2) Pulmón principal N° 2 Se propone el pulmón desinstalado para la nueva red de limpieza. La
capacidad del pulmón es de 454 lts. Se calcula el volumen del pulmón que el compresor requiere.
De la ecuación N° 27:
1,2 CV Q= ×
1,2 5320 /V N lts min= ×
6384 V N lts=
El pulmón contiene 454 lts de aire comprimido a 4 bar. Se calcula cuanto
aire en condiciones normales contiene. Usando la ecuación N° 3:
5,033 454 2211
1,033 bar ltsV V N lts
bar×
= → =
132
Este valor se compara con el volumen del pulmón que el compresor
requiere:
6384 2211 N lts N lts>
Se comprueba que el pulmón principal N° 1 no se puede utilizar con el
compresor S – 3.
Entonces, se calcula la capacidad del pulmón que se requiere. Usando la
ecuación N° 3:
1,033 6384 1310
5,033 bar ltsV V lts
bar×
= → =
3) Pulmón principal N° 3 La capacidad del pulmón es de 10 lts. Se calcula el volumen del pulmón
que el compresor requiere.
De la ecuación N° 27:
1,2 CV Q= ×
1,2 825,6 /V N lts min= ×
990,72 V N lts=
El pulmón contiene 10 lts de aire comprimido a 7,5 bar. Se calcula cuanto
aire en condiciones normales contiene. Usando la ecuación N° 3:
133
8,533 10 82,60
1,033 bar ltsV V N lts
bar×
= → =
Este valor se compara con el volumen del pulmón que el compresor
requiere:
990,72 82,60 N lts N lts>
Se comprueba que el pulmón principal N° 3 no se puede utilizar con el
compresor auxiliar.
Entonces, se calcula la capacidad del pulmón que se requiere. Usando la
ecuación N° 3:
1,033 990,72 119,93
8,533 bar ltsV V lts
bar×
= → =
4) Pulmones secundarios
Hay nueve (9) pulmones secundarios ubicados en diferentes tomas de la
planta. Sus capacidades se muestran a continuación:
134
Tabla 26. Datos de los pulmones secundarios
Toma Isometría Capacidad ( lts )
1 2 106
2 2 106
3 2 106
1 y 5 3 128
2 12 10
3 12 10
3 Cont. 13 10
1 14 6
3 5 10
Fuente: Elaboración propia
Se procede a comprobar si cumplen su función. Se muestra con un
cálculo modelo como se verifican.
Toma 1, ISO 2
355 /Q N lts min=
Capacidad del pulmón = 106 lts
Se calcula el volumen del pulmón que la toma requiere.
135
De la ecuación N° 28:
QV sP
= ×Δ
La presión máxima en la red es de 7 bar y la presión requerida en la toma
es de 6 bar, por lo tanto se condiciona a que la caída de presión dentro del
pulmón ( PΔ ) no exceda el valor de 1bar.
Usando la ecuación N° 3:
1,2 355 / 426 1
bar min Nlts minV N ltsbar
× ×= =
El pulmón contiene 106 lts de aire comprimido a 7 bar. Se calcula cuanto
aire en condiciones normales es capaz de almacenar. Usando la ecuación N° 3:
8,033 106 824,296
1,033 bar ltsV V N lts
bar×
= → =
El volumen almacenado se compara con el volumen que la toma requiere:
824,296 426 N lts N lts>
En este caso el pulmón secundario cumple adecuadamente su función.
De forma análoga se analizan los otros pulmones:
136
Tabla 27. Análisis de los pulmones secundarios
Toma - ISO Q ( N lts/min )
V. requerido ( N lts )
V. almacenado ( N lts )
Toma 1 – ISO. 2 355 426 824,269
Toma 2 – ISO. 2 355 426 824,269
Toma 3 – ISO. 2 355 426 824,269
Tomas 1 y 5 – ISO. 3 222,393 266,87 995,377
Toma 2 – ISO. 12 20,869 25,043 77,764
Toma 3 – ISO. 12 0,33 0,807 77,64
Toma 3 – Cont. ISO. 13 100 120 77,764
Toma 1 – ISO. 14 0,33 0,396 46,65
Toma 3 – ISO. 5 486,66 583,99 77,64
Fuente: Elaboración propia
Los pulmones que no cumplen con su función son los siguientes:
• Pulmón Toma 3 – Cont. ISO. 13.
• Pulmón Toma 3 – ISO. 5.
Consideración de equipos para el tratamiento del aire
1) Red de servicio El refrigerador posterior existente se considera para la red de servicio,
trabajando en conjunto con un nuevo equipo que debe ser capaz de:
• Entregar un aire seco con una temperatura del punto de rocío, a presión,
de 2 ºC.
137
• Manejar un caudal de 5015,127 N lts/min, que es el caudal que demanda
la planta.
Del Anexo N° 14, se deduce que el equipo adecuado para la red de
servicio es un secador por refrigeración.
2) Red de limpieza
El aire sale del compresor S – 3 con una temperatura de 120 ºC. Esta es
una temperatura muy alta si se considera que el aire comprimido entra en
contacto con el personal, luego es necesario bajarla para que no genere riesgos
de accidentes.
Las alternativas para resolver este problema son:
• Un ínter enfriador adicional para el compresor S – 3.
• Un refrigerador posterior.
Consideración de alternativas para la nueva red
Se presentan las alternativas para la nueva red de servicio.
Alternativa N° 1
La primera alternativa para a la red de servicio considera un sistema en
forma de anillo. Se representa en un overplot (Apéndice N° 3).
Los sistemas cerrados garantizan mayor estabilidad de presión, su
volumen permite que la tubería actúe como reservorio y por lo general su
disposición facilita la llegada a las tomas así como las ampliaciones.
138
Por ser un sistema cerrado el aire circula por todo el anillo en direcciones
imprevisibles y por ende las inclinaciones de la tubería, que se deben orientar en
la dirección del flujo, no funcionan con su máxima eficiencia.
Alternativa N° 2
La segunda alternativa para a la red de servicio considera un sistema
abierto. Se representa en un overplot (Apéndice N° 4).
Los sistemas abiertos, como su nombre lo indica, son redes cuyas
tuberías principales y secundarias solo poseen un nodo de conexión, haciendo
que la dirección del flujo pueda seguirse con claridad. Por esta razón la
inclinación de la tubería en los sistemas abiertos es totalmente eficiente.
Elección de la Alternativa
La elección recae sobre el sistema en anillo. Su condición de reservorio
de aire y estabilizador de presiones permite que sea más eficiente. Además
facilita la llegada a las tomas.
La ineficiencia de las inclinaciones para eliminar el condensado solo es un
problema cuando el sistema de deshumidificación no es efectivo.
La red de limpieza se diseña usando también un sistema en anillo
(Apéndice N° 5).
139
Pérdidas de presión en el nuevo sistema
Selección de diámetros El diseño de las nuevas redes requiere calcular los diámetros de cada
sección de tuberías guardando las pérdidas admisibles de presión. Todas las
tuberías se eligen de acero comercial sch. 40.
Para obtener los diámetros de las tuberías se procede de la siguiente
manera:
1. Se divide cada red por tramos, que se indican en los overplots
correspondientes (Apéndice N° 3 y Apéndice N° 5).
2. Se enumeran los accesorios por tramos y se suman sus longitudes
equivalentes.
3. Se suman las longitudes de tubería recta por tramos.
4. Se le asigna el caudal correspondiente a cada tramo. Este caudal se elige
tomando en cuenta las tomas a las que satisface cada tramo.
5. Tomando la longitud de tubería recta y eligiendo una pérdida de presión
tolerable, se calcula el diámetro de la tubería. El diámetro se ajusta a un
valor comercial y luego se recalcula la pérdida de presión incluyendo esta
vez las longitudes equivalentes de los accesorios. Los tramos se calculan
comenzando por los que están más próximos a la sala de compresores,
para facilitar el ajuste de la pérdida de presión debido a que las pérdidas
son aditivas, es decir, la presión que se pierde en un ramal secundario es
la suma de las pérdidas de presión en los tramos previos.
140
1) Red de servicio
Se muestra con un cálculo modelo como se seleccionan los diámetros de
la nueva tubería de servicio.
- Tramo (P – A)
Longitud de tubería recta = 23,8 mts.
Accesorios:
• 1 Conexión en T.
• 4 Codos de 90.
• 1 Válvula de bola.
• 2 Trampas de agua.
• 3 Codos de 45.
• 1 Conexión en T con paso directo.
• 1 Válvula check.
El caudal que circula por este tramo es la sumatoria de todos los caudales
reales de la planta, sin tomar en cuenta el caudal real de consumo de las tomas
pertenecientes a la isometría 2.
Entonces se tiene que:
3857,79Q = / 17,75Nlts min − / 3840,04Nlts min = /Nlts min
Se considera además un 30% debido a pérdidas por fugas y a
ampliaciones.
3840,04Q = / 3840,04Nlts min + / 0,3 4992,052Nlts min× = /Nlts min
141
28,32 10Q −= × 3 /Nm s
Con la ecuación N° 46:
8 1,85
5
1,6 10 q Lpd p
× × ×Δ =
×
Se asume un 0,02pΔ = bar , como un valor de caída de presión tolerable
en este tramo.
Entonces se tiene que:
8 3 1,85
51,6 10 (0,0832 / ) 23,8 47,52
7,894 0,02Nm s mtsd
bar bar× × ×
= =×
mm
Se elige del Anexo N° 15, para una tubería de sch. 40, el diámetro interno
comercial más cercano a este valor. La tubería que se elige es una tubería sch.
40 de diámetro interno 52,5 mm y de diámetro nominal 2”.
Con 52,5 mm de diámetro interno, del Anexo N° 2, se obtiene la longitud
equivalente de los accesorios:
Longitud Equivalente = 35,3 mts
Una vez que se obtiene la longitud equivalente de los accesorios, se
puede determinar la longitud total, que incluye tanto accesorios como tubería
recta:
Longitud Total = 23,8 mts + 35,3 mts = 59,1 m
142
Por último se recalcula la caída de presión con el valor del diámetro que
se elige y con la longitud total. Usando la ecuación N° 46:
8 3 1,85
5
1,6 10 (0,0832 / ) 59,1 0,0302(52,5 ) 7,894
Nm s mtspmm bar
× × ×Δ = =
×bar
El resto de los diámetros se obtienen de forma análoga para cada tramo,
tomando en cuenta ciertas salvedades que a continuación se mencionan.
- Tramo (A – B) sur
El caudal que se asume es la sumatoria de todos los caudales reales que
demandan las tomas vinculadas a este tramo.
- Tramo (A – B) norte El diámetro del anillo debe ser el mismo a lo largo de toda su extensión.
Como el caudal que demandan las tomas vinculadas al tramo (A – B) sur es
mayor que el caudal que demandan las tomas vinculadas al tramo (A – B) norte,
se asume el diámetro que se elige para el tramo (A – B) sur.
- Tramo (P – Toma 1, Iso. 2)
Se asume el caudal instantáneo de la toma más distante al compresor.
- Tramo (Paux. – L)
El caudal que se asume es la sumatoria de todos los caudales reales de
las tomas a las cuales satisface el compresor auxiliar.
143
El resto de los tramos corresponden a ramales de tubería que parten
desde el anillo principal. En este caso el caudal que se asume para cada ramal
es la sumatoria de todos los caudales instantáneos que demandan las tomas
vinculadas al mismo.
En la siguiente tabla se muestran los diámetros que se eligen para cada
tramo y la caída de presión que se produce.
Tabla 28. Selección de los diámetros para la tubería de la red de servicio
Tramo Diámetro Interno Elegido( mm )
Diámetro Nominal ( pulgadas )
Δp ( bar )
P - A 52.5 2 0.0302 (A - B) sur 52.5 2 0.0467
(A - B) norte 52.5 2 0.00555 P - Toma 1, Iso. 2 26.6 1 0.0109
D - E 15.8 1 / 2 1.39E-06 F - G 26.6 1 0.00475 H - I 40.9 1 1 / 2 0.00456 J - K 15.8 1 / 2 2.08E-04
Paux. - L 21 3 / 4 0.0307 Fuente: Elaboración propia
Se elige un diámetro nominal de 1 / 2” para las bajadas a las tomas.
Para asegurar que la caída de presión en todas las tomas de la planta
esté dentro del rango admisible, se calculan las pérdidas para una toma con un
alto caudal de consumo y que además el recorrido del aire desde el compresor
hasta la misma involucre la mayor cantidad de tramos posibles. La toma que se
elige es la toma 2, isometría 14 y la caída de presión que resulta en la tubería de
bajada es de 0,0187 bar.
Para calcular la pérdida de presión total en la red de tuberías, se suman
las caídas de presión que se producen en cada uno de los tramos, desde el
144
compresor hasta una toma en particular. Se debe cumplir que la pérdida de
presión en la red de tuberías no sobrepase los 0,14 bar.
Los tramos que sirven para direccionar el aire comprimido desde el
compresor hasta la toma son los siguientes:
• Tramo (P – A)
• Tramo (A – B) sur
• Tramo (H – I)
Entonces la caída de presión en esta toma se determina de la siguiente
manera:
pΔ = Tramo (P – A) + Tramo (A – B) sur + Tramo (H – I) + Tramo de Bajada
pΔ = 0,1 bar < 0,14 bar (Admisible)
Se comprueba que todas las bajadas se pueden colocar de 1 / 2”, a
excepción de la tubería que satisface a las tomas 2, 3 y L’, isometría 10, que
debe ser de 1”.
2) Red de limpieza
La selección de los diámetros de la nueva tubería de limpieza se realiza
de forma análoga a la red de servicio.
En la siguiente tabla se muestran los diámetros que se eligen para cada
tramo y la caída de presión que se produce.
145
Tabla 29. Selección de los diámetros para la tubería de la red de limpieza
Tramo Diámetro Interno Elegido( mm )
Diámetro Nominal ( pulgadas )
Δp ( bar )
P – A 40.9 1 1 / 2 0.0271 (A - B) sur 40.9 1 1 / 2 0.0174
(A - B) norte 40.9 1 1 / 2 0.0186 P – M 26.6 1 0.0376 D – E 26.6 1 1.21E-02 F – G 26.6 1 0.0126 H – I 26.6 1 0.0126 J – K 26.6 1 3.57E-02 O – N 26.6 1 0.0464 R – Q 26.6 1 0.0195
Fuente: Elaboración propia
Al igual que para la red de servicio, se elige un diámetro nominal de 1 / 2”
para las bajadas a las tomas. También se debe cumplir que la pérdida de
presión en la red de tuberías no sobrepase los 0,14 bar.
Se comprueba con dos tomas de limpieza ubicadas en los puntos Q y K
respectivamente, que la caída de presión no sobrepasa el límite admisible.
Cálculo de la pérdida de presión en el refrigerador posterior
Se evalúa la pérdida de presión para el refrigerador posterior de la nueva
red de servicio mediante las ecuaciones N° 47 y N° 48:
p c FΔ = ×
nL GF
p s⎛ ⎞= ×⎜ ⎟⎝ ⎠
La sección total del haz tubular por donde pasa el aire se obtiene de la
siguiente forma:
146
( )22
5 20,017,85 10
4 4intds m
ππ −××= = = ×
La pérdida de Fanning se calcula con la ecuación N° 49:
2
2 f v Lc
D
ρ−⎛ ⎞× × × ×⎜ ⎟
⎝ ⎠=
Para aire comprimido:
10000Re <
0,35 30,193 (10000) 7,68 10f − −= × = ×
Se calcula la velocidad promedio:
35900 / 310,53 / 0,31053 /19
N lts minQ N lts min N m mintubos
= = =
El caudal de aire libre se transforma en caudal de aire comprimido a 7
bar, con la ecuación N° 1.
3
31
0,31053 / 0,0399 /1,033 8,033
1,033 1,033
Q N m minQ m minp bar bar
bar bar
= = =+⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
Q s v−
= ×
147
( )
3
20,039 / 508,69 / 8,48 /
0,014
m minv m min m sgmπ
−
= = =×
Se calcula la densidad del aire comprimido, con una temperatura de
entrada de 48 °C. Se asume como un gas ideal:
2
37,894 10 856,86 /0,287 321
p KPa Kg mKJR T KKg K
ρ ×= = =
× × °×
Se calcula la pérdida de Fanning:
( )23 32 7,68 10 856,86 / 7,535 / 1,1686681,33
0,01Kg m m sg m
c Pam
−× × × × ×= =
Se calcula la pérdida final de presión:
1,8
35 5
1,16 0,00517 2,75 107,894 10 7,85 10
F −−
⎛ ⎞= × = ×⎜ ⎟× ×⎝ ⎠
386681,33 2,75 10 239,11 0,00239 p Pa Pa bar−Δ = × × = =
Entonces se evidencia que la caída de presión que se produce en el
refrigerador posterior no supera el valor admisible de 0,09 bar.
148
CAPÍTULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones Se determinó que:
• El sistema de generación de aire comprimido de Pastas Capri C.A. se
encuentra en un estado crítico, descartando la posibilidad de mantener el
sistema actual para futuras ampliaciones.
• La red actual no cumple con los parámetros de diseño establecidos. Esto
conlleva a que su distribución y disposición no sea la adecuada.
• El sistema no cumple con los valores de calidad exigidos para la
temperatura del punto de rocío.
• El sistema cumple con los niveles de calidad exigidos para el tamaño de
las partículas sólidas contenidas en el aire comprimido.
• El sistema cumple con los niveles de calidad exigidos para el contenido
de aceite en el aire comprimido.
• El nuevo sistema que se propone es capaz de cumplir satisfactoriamente
con todos los requerimientos de la planta, incluyendo futuras
ampliaciones.
149
Recomendaciones
Se recomienda llevar a cabo el montaje del nuevo sistema, que incluye:
• Redes independientes de servicio y de limpieza, de acero comercial sch.
40, dispuestas en forma de anillo (Apéndice N° 7), con los diámetros
elegidos (Tablas 28 y 29 ).
• Utilización del compresor S – 4 para la nueva red de servicio (Apéndice
N° 8).
• Utilización del compresor S – 3 para la nueva red de limpieza (Apéndice
N° 9).
• Tubería de conexión que permite utilizar el compresor S – 3 para la red de
servicio en caso de emergencia (Apéndice N° 7).
• Utilización del compresor auxiliar para las líneas 1, 2, 3 y 8.
• Utilización del pulmón principal N° 1 para la red de servicio, regulado
entre (6 – 7) bar.
• Utilización de un pulmón de 1310 lts de capacidad para la red de
limpieza, regulado entre (3 – 4) bar.
• Utilización del pulmón de la tomas 5 y 1 – Iso. 3 para el compresor
auxiliar, regulado entre (6,5 – 7,5) bar.
150
• Reubicación del pulmón principal N° 3 y los pulmones secundarios de la
siguiente manera:
Tabla 30. Reubicación de los pulmones secundarios
Ubicación Reubicación
Tomas 1,2,3 – ISO. 2 Permanecen en su sitio
Toma 2 – ISO. 12 Toma 1 – ISO.11
Toma 3 – ISO. 12 Permanece en su sitio
Toma 3 – Cont. ISO. 13 Toma 4 – Cont. ISO. 13
Toma 1 – ISO. 14 Permanece en su sitio
Toma 3 – ISO. 5 Se elimina
Pulmón principal N° 3 Toma 2 – ISO 12
Fuente: Elaboración propia
• Válvulas check en todos los pulmones secundarios.
• Bajadas en cuello de cisne para las tomas de servicio y bajadas
completamente verticales para las tomas de limpieza.
• Utilizar 0,5 % de inclinación en las tuberías que lo requieren.
• Trampas de agua y purgas estratégicamente ubicadas para cumplir sus
funciones, además de purgas automáticas en todos los pulmones y
unidades de mantenimiento.
• Juego de válvulas en la red de servicio para direccionar adecuadamente
el caudal del compresor auxiliar (Apéndice N° 8).
151
• Purga automática en la trampa de condensado ubicada a la salida del
compresor S – 4.
• Filtros y reguladores de presión en todas las tomas de la red de servicio,
así como lubricadores en el caso que lo requieran.
• Utilización del refrigerador posterior existente para la red de servicio.
• Utilización de un secador por refrigeración para la red de servicio.
• Utilización de un ínter enfriador adicional para el compresor S – 3.
Además de las recomendaciones expuestas en los puntos anteriores, se
recomienda sustituir los siguientes accesorios:
1) Red de servicio
- Toma 2, Iso.13
• La manguera existente por una de 13mm de diámetro interno.
• El acoplamiento por un racor que reduzca de 15,8 mm
(diámetro interno de la tubería) a 13 mm (diámetro interno de la
manguera). En caso de querer usar otro acoplamiento, el diámetro del
agujero interno de paso de aire de la pieza macho debe ser de por lo
menos 5 mm.
- Toma 1 y 2, cont. Iso. 13
• La manguera existente por una de 13mm de diámetro interno.
152
• El acoplamiento por un racor que reduzca de 15,8 mm
(diámetro interno de la tubería) a 13 mm (diámetro interno de la
manguera). En caso de querer usar otro acoplamiento, el diámetro del
agujero interno de paso de aire de la pieza macho debe ser de por lo
menos 5 mm.
- Toma 3, cont. Iso. 13
• El acoplamiento por un racor que reduzca de 15,8 mm
(diámetro interno de la tubería) a 10 mm (diámetro interno de la
manguera). En caso de querer usar otro acoplamiento, el diámetro del
agujero interno de paso de aire de la pieza macho debe ser de por lo
menos 5 mm.
- Toma 3, Iso. 3
• La manguera existente por una de 10 mm de diámetro interno.
- Toma 8, cont. Iso. 13
• La manguera existente por una de 15 mm de diámetro interno.
- Toma 7, cont. Iso. 13
• La manguera existente por una de 15 mm de diámetro interno.
2) Red de limpieza
Utilizar solo mangueras de 15 mm de diámetro interno.
153
Por último se recomienda llevar a cabo el plan de mantenimiento del
Apéndice N° 20.
154
BIBLIOGRAFÍA
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Atlas Copco. Manual “Aire Comprimido y su aplicación en la industria”.
Venezuela: Atlas Copco, S.A.
Dr. Yunus A. Cengel y Dr. Michael A. Boles (1994). “Termodynamics an
engineering approach”. McGraw – Hill, Inc.
Lester Haar, John S. Gallagher y George S. Kell (1985). “Tablas de vapor”.
México: Editorial Interamericana, S.A.
Crane (1989). “Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías”. McGraw –
Hill, Inc.
FESTO (2004). “Curso de iniciación a la neumática”. Venezuela: FESTO.
Aire comprimido, [en línea]. Disponible en: http://www.elprisma.com.
155
APÉNDICES Y ANEXOS