2 Introduccion a la compresion del aireLa neumática utiliza aire comprimido para realizar un trabajo. El aire comprimido es aire atmosférico sometido a presión y convenientemente acondicionado.Por generación de aire comprimido entendemos el proceso de elevación de presión del aire atmosférico en la sección de entrada del sistema neumático.

2.1 CompresoresEl componente característico de la sección de entrada de un sistema de transmisión de energía (STE) neumático es el compresor.El objetivo de un compresor es aumentar la presión del aire atmosférico mediante la transformación de la energía proporcionada por una fuente exterior. El aumento de presión del aire atmosférico en el compresor depende del tipo de compresor y del servicio requerido; en los sistemas neumáticos convencionales este aumento es del orden de 5 a 10 bares. A este nivel de presión, el aire a su paso por el compresor, se puede considerar como un gas perfecto.En un sistema de transmisión de energía (STE) neumático el aire comprimido recorre las diferentes secciones, de entrada, de control y de salida comprimido por compresores, transmitido por conductos y distribuido por válvulas hasta los elementos finales de trabajo, normalmente actuadores lineales o rotativos.

2.1.2 Tipos de compresoresSegún su principio de funcionamiento, los compresores se dividen en dos grandes familias: volumétricos y dinámicos. Dentro de ambas familias hay numerosas morfologías, que dan origen a la distinción de varios subtipos y subfamilias. A continuación se describen algunas.

Compresores volumétricos: También denominados de desplazamiento positivo, en estos compresores la compresión del aire atmosférico se consigue mediante una reducción progresiva del volumen que ocupa una determinada cantidad de are. El proceso de compresión tiene lugar de forma discontinua y en general pulsante, entendiendo que el aire atraviesa la máquina contenido en discretos paquetes que están separados unos de otros Los compiesores volumétricos pueden ser alternativos o rotativos.

Compresores volumétricos alternativos: En los compresores volumétricos aiternalivos se utilizan uno o varios émbolos para comprimir el aire aspirado. Según su configuración interna, pueden ser de una o varias etapas, de simple o doble tícelo y refrigerados o no.Algunos parámetros característicos de estos compresores son, entre otros, la carera o recorrido del emboto entre los puntos muertos superior c inferior, su cilindrada y relación de compresión, la frecuencia del accionamiento y el volumen muerto al final de la carrera de compresión. Estos compresores acostumüran a ser muy seguros y fiables en su funcionamiento y garantían un servicio prolongado, siempre que se respeten los periodos de mantenimiento y rango de operación establecidos por el fabricante.

Compresores volumétricos rotativos: En los compresores volumétricos rotativos no debe transformarse en lineal el movimiento rotativo proveniente de la fuente de alimentación de1 compresor, ya sea ésta un motor eléctrico, diesel o una turbina.Los componentes internos de estos compresores comprimen el aire aspirado, y lo desplazan, del puerto de aspiración al de impulsión sin pasar por válvulas de aspiración o descarga.

Turbocompresores: Los turbocompresores o compresores dinámicos utilizan rotores, alabes y otros elementos móviles para elevar la presión del aire variando su cantidad de movimiento. Este proceso, combinado con una posterior transformación de energía dinámica

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-energía fundamentada en la velocidad del aire- en energía estática -observable por el aumento de presión en difusores y otros órganos internos del compresor-, tiene lugar de forma continua, sin cortar !a veno fluida- Es decir, existe continuidad física entre el aire que entra y el que sale del compresor. Los turbocompresores pueden ser radiales o axiales.

Radiales: En los compresores dinámicos radiales el aire se aspira axialmente y se impulsa de forma radial hada la salida del rotor. Dado que el aumento de presión proporcionado por uno sola etapa o célula no puede ser muy elevado, estos compresores suele estar compuestos de varias etapas para poder suministrar presiones importantes. En los compresores multicelulares el aire impulsado por una célula se reconducc a la entrada axial de la siguiente, y asi la presión total se obtiene por la suma de las contribuciones particulares de cada una de las células. La presión que pueden suministrar alcanza varios cientos de bares.

Axiales: En los compresores dinámicos axiales el aire se aspira e impulsa axialmente, como en un ventilador de sobremesa. El aumento de presión proporcionado por una sola célula es aún menor que en los compresores radiales, por lo que acostumbran a estar compuestos de varias etapas para poder suministrar la presión deseada. Su uso es más frecuente aiií donde el requisito fundamental sea disponer de un gran caudal a baja presión.

Compresores volumétricos alternativos: de pistón o de membrana.

Pistón: El árbol gira en sentido dextrógiro, En la etapa de admisión, el aire atraviesa la válvula de admisión durante la carrera de aspiración. En la etapa de escape, la válvula de aspiración se cierra en el punto muerto inferior. La presión del aire aumenta mientras la biela nace subir ei pistón. Cuando lo válvula de escape o descarga se abre, el aire comprimido circula hacia la instalación.

Compresor de membrana: En los compresores de membrana se evita que el aire aspirado esté en contacto con las partes mecánicas móviles. Se usan allí donde es indispensable que el aire esté seco y libre de aceite. Su uso se restringe a aplicaciones en las cuales la presión normal de servicio no sobrepase los 5 bares.

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Compresor de dos etapas con refrigeración intermedia

Pistón: El árbol gira en sentido dextrógiro. Mientras un pistón está en fase de admisión, el otro está en la de comprensión. Las válvulas de admisión y escape correspondientes garantizan la circulación del aire del primer pistón al segundo y evitan el retroceso del aire intermedio. Ei aire se enfría en el refrigerador intermedio a presión constante. Son posibles compresores de tres o mas elapas con varios pistones en paralelo para caudales importantes.

Rotativos: Paletas, Anillo líquido, Tornillo helicoidal, roots.

Compresor de paletas: Está formado por un rotor que gira de forma excéntrica respecto de un estator circular o elíptico, La Fuerza centrífuga que se desarrolla mantiene adheridas las paletas contra la pared interna del estator, a la vez que comprime y desplaza ei aire según el sentido de rotación. Esta construcción es sencilla y permite regular el valor de la excentricidad rotor-estator para trabajar a carga parcial. Su íuncionamiento es más silencioso que el de ios compresores alternativos, aunque es imprescindible mantener la lubricación.

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Compresor de anillo líquido: Un rotor de aletas fi|as gira de forma excéntrica en el interior de un cuerpo cilindrico. El cuerpo esla parcialmente ocupado por agua que, por acción de la fuerza centrifuga, se mantiene adherida al contorno exterior y garantiza la estanqueidad y la compresión del aire aspirado. Su rendimiento volumétrico no es muy elevado.

Compresor de tornillo helicoidal: Dos torillos helicoidales engranan y giran en sentido contrario, de manera que comprimen el aire atrapado entre los mismos y lo despla/an de forma axial. Los compresores de tornillo pueden estar lubricaoos o no. En este último caso, son ideales para suministrar importantes cantidades de aire comprimido sin lubricación. Dado queson de construcción pequeño y bajo mantenimiento, y además su funcionamiento es relativamente suave y silencioso, las industrias los usan cada vez más.

Compresor roots: Consiste en una cámara ovalada donde giran dos émbolos en movimiento sincronizado y opuesto. El aire se desplaza de! puerto de entrada al de salida sin modificar su volumen. Esta circunstancia, unida al necno de que trabajan sin sellos internos, hace que sólo sean adecuados para aplicaciones de baja presión. No requieren lubricación.

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TurbocompresoresCompresores dinámicos, radiales y axiales: Los compresores monocelulares se emplean con frecuencia en la industria para el transporte de gases. Los multicelulares se utilizan en ciclos energéticos, en plantas de procesos y combinados con turbinas de gas o vapor, pero raramente en neumática, Son de bajo mantenimiento y pueden impulsar caudales realmente importantes, del orden de decenas de miles de metros cúbicos por hora.

Compresores volumétricos: También denominados de desplazamiento positivo, en estos compresores la compresión del aire atmosférico se consigue mediante una reducción progresiva del volumen que ocupa una determinada canddüd de aire. El proceso de compresión tiene lugar de forma discontinua Y en general pulsante, entendiendo que el aire atraviesa la maquina contenido en discretos paquetes oue están separados unos de otros. Los compresores volumétricos pueden ser alternativos o rotativos.

En los compresores volumétricos alternativos se utilizan uno o varios émbolos para comprimir el aire aspirado. Según su configuración interna, pueden ser de una o varias etapas, de simple o doble efecto y refrigerados o no.

Alternativos: Algunos parámetros característicos de estos compresores son, entre otros, la carrero o recorrido del embolo entre los puntos muertos superior e inferior, su cilindrada y relación de compresión, la frecuencia del accionamiento y el volumen muerto al final de la carrera de compresión. Estos compresores acostumbran a ser muy seguros y fiables en su funcionamiento y garantizan un servicio prolongado, siempre que se respeten los periodos de mantenimiento y rango de operación establecidos por el fabncanle.

Rotativos: En los compresores volumétricos rotativos no debe transformarse en lineal el movimiento rotativo proveniente de la fuente de alimentación del compresor, ya sea ésta un motor eléctrico, diesel o una turbina.Los componentes internos de estos compresores comprimen el aire aspirado, y lo desplazan del puerto de aspiración al de impulsión sin pasar por válvulas de aspiración o descarga.

Turbocompresores: Los turbocompresores o compresores dinámicos utilizan rotores, alabes y otros elementos móviles para elevar la presión del aire variando su cantidad de movimiento. Este proceso, combinado con una posterior transformación de energía dinámica -energía fundamentada en la velocidad del aire- en energía estática -observable por el aumento de presión en difusores y otros órganos internos del compresor-, tiene lugar de forma continua, sin cortar lo vena fluida. Es decir, existe continuidad física entre el aire que entra y el que sale del compresor. Los turbocomprcsorcs pueden ser radiales o axiales.

Radiales: En los compresores dinámicos radiales el aire se aspira axialmente y se impulsa de forma radial hacia la salida del rotor. Dado que el aumento de presión proporcionado por

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una sola etapa o célula no puede ser muy elevado, estos compresores suelen estar compuestos de varias etapas para poder suministrar presiones importantes. En los compresores multicelulares el aire impulsado por una célula se reconduce a la entrada axial de la siguiente, y así la presión total se obtiene por la suma de las contribuciones particulares de cada una de las células. La presión que pueden suministrar alcanza varios cíentos de bares.

Axiales: En los compresores dinámicos axiales el aire se aspira e impulsa axialmente, como en un ventilador de sobremesa. El aumento de presión proporcionado por una solo célula es aún menor que en los compresores radíaies. por ID que acostumbran a estar compuestos de varias etapas para poder suministrar la presión deseada. Su uso es mas frecuente allí donde el requisito fundamental sea disponer de un gran caudal a baja presión.

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

Pequeños: caudales de hasta 40 litros por segundo y potencia de entrada de no más de 15 kW.

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

Grandes: cualquiera por encima del límite anterior. El mejor compresor se elige fundamentalmente a partir del caudal que deba suministrar y la presión de trabajo. Otros condicionantes son el rendimiento energético, el ruido de la instalación, los requisitos de mantenimiento y reposición y, claro está, el coste total.

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2.2.2 Capacidad teorica,nominal y normalEl caudal que suministra un compresor se puede expresar de diferentes formas. Si se describe en kg/s, el caudal será másico o gasto másico, G; es decir, la cantidad de masa que por unidad de tiempo impulsa el compresor. El caudal volumétrico, Q, se relaciona con el caudal másico por la expresión G = .La capacidad nominal del compresor define el valor del caudal volumétrico que suministra el compresor, medido en las condiciones de la aspiración. Este caudal no se debe confundir con el caudal teórico que impulsaría un compresor volumétrico sin pérdidas ni fugas, ni tampoco con el caudal de servicio, aquél que se mediría en las condiciones de trabajo a presión. La capacidad del compresor se suele referir a la atmósfera normal de referencia (ANR), para el cual la densidad es constante. Las unidades del caudal normal o estándar se acompañan con una N mayúscula, con la palabra normal o con las siglas ANR. En la práctica, los caudales normal y nominal se confunden, puesto que la atmósfera ANR está muy próxima a las condiciones de aspiración. También se denominan caudal de aire libre.Se dice, por ejemplo, que el caudal de un compresor es de 10.000 Nl/min o también 10.000 l/min ANR.

2.2.3 Presiones de servicio y trabajoLa presión que proporciona un compresor debe cumplir con los requisitos de presión en la aplicación. La primera es la denominada presión de servicio, que responde a las características técnicas del compresor y está garantizada por el fabricante. La segunda, la presión de trabajo, es la presión del aire comprimido necesaria en el lugar de utilización –en general, comprendida entre 3 y 8 bares.Más adelante se verá que estas presiones no coinciden en la práctica porque se producen pérdidas por el camino –normalmente asociadas al flujo del aire a través de los conductos y otros componentes– que revierten en el rendimiento de la instalación y en el sobredimensionado del compresor. No conviene que la presión de servicio sea mucho mayor que la de trabajo.

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2.2.4 Potencia neumaticaEn general, la potencia se define como la energía consumida, disipada, almacenada o producida por unidad de tiempo. La potencia neumática generada en un compresor se define como el producto del caudal y la presión de servicio. Es decir: N = Mediante una transformación podemos referir la potencia producida al caudal normal del

compresor ( ). Si además empleamos la ecuación de los gases

perfectos, es posible reescribir la ecuación de otra manera

( ):

Y dado que en la práctica las temperaturas absolutas no son muy diferentes, , se tiene

que:

La potencia neumática que el compresor genera ha de ser:a) Mayor que la potencia consumida por todos los útiles, actuadores y consumidores en general de la instalación. En este cálculo no sólo hay que tener en cuenta la potencia mecánica, o potencia útil, generada por los actuadores, sino también la pérdida de potencia ocasionada por la distribución del aire comprimido. Por ejemplo, si por una válvula neumática pasa un caudal de 60 l/min y la pérdida de presión a través de la válvula es de 2 bar, la potencia disipada o perdida en la válvula viene dada por la expresión siguiente:

Aunque el compresor producirá esta potencia, los actuadores nunca la utilizarán toda.b) Menor que la potencia del accionamiento del compresor. Por ejemplo, si el accionamiento es eléctrico, la potencia nominal del motor eléctrico empleado debe ser superior que la potencia neumática instalada.

2.3.1 Instalacion tipica de un compresor medioLos principales componentes que se observan en una instalación típica de un compresor de tamaño medio son los siguientes:La unidad compresora integrada, que incluye el filtro de entrada, el compresor con motor eléctrico y un refrigerador y separador posterior. El depósito, compuesto en la figura de un manómetro y sendas válvulas de seguridad y purga. Los depósitos se utilizan para suavizar las demandas pulsantes y proporcionar un enfriado y purga de agua adicionales.

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2.3.2 Regulacion de servicio de un compresorEl servicio de un compresor se puede regular para adaptar la generación de aire comprimido a la demanda. De este modo, el compresor no debe estar en marcha continuamente o no tiene que estarlo a plena carga. Ambas situaciones suponen un ahorro energético y prolongan la vida del compresor. Sea cual sea el compresor y el tipo de regulación, la variable que ha de controlar el sistema de regulación es la presión en el depósito.Se distinguen varios tipos básicos de regulación de servicio de un compresor:

Por arranque-paradao Por by-passo Por escape a la atmósfera

Por apertura de la aspiracióno Por aislamiento de la aspiracióno De la velocidad de rotación

Por estrangulación de la aspiración

Regulación por arranque-motor:En este tipo de regulación el compresor está a plena carga o parado. Conviene seleccionar adecuadamente el tamaño del depósito para que la frecuencia de conmutación quede comprendida dentro del intervalo aconsejado por el fabricante del compresor.

Regulación por by-pass:Cuando en la salida del acumulador se alcanza la presión máxima de servicio, el exceso de aire comprimido se recircuia hacia la aspiración del compresor. Entonces, el compresor se limita a mantener la presión del aire y a vencer sus perdidas Internas.

Regulación por escape a la atmósfera:Cuando a la salida del acumulador se alcan;a la presión máxima de servicio, el exceso del aire comprimido se expulsa a la atmósfera por una válvula limitadora de presión, o válvula de segundad. El compresor consume siempre una potencia elevada, incluso cuando se ha alcanzado la presión máxima, ya que debe mantener abierta la válvula de seguridad.

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Regulación por apertura de la aspiración:Con este tipo de regulación, el compresor trabaja en vacio en lugar de estar parado cuando no tiene que suministrar caudal. La aspiración se mantiene abierta con una mordaza y el aire circula sin comprimirse. El consumo del compresor se reduce notablemente, ya que sólo tiene que vencer sus propios rozamienlos internos. Se emplea en compresores grandes.

Regulación por aislamiento de la aspiración:Cuando se alcanza la presión de servicio máxima, la aspiración se cierra. El compresor no puede aspirar aire, pero sigue en funcionamiento.

Regulación de la velocidad de rotación:Se hace por medio del control fino de laS revoluciones del accionamiento. En este tipo de regulación, el compresor funciona siempre a la carga necesaria, que debe coincidir con la que se ha regulado.

Regulación por estrangulación de la aspiraciónLa presión en la aspiración deil compresor se aminora para redudr el gasto másico aspirado. La reducción de la presión se consigue gracias a unas válvulas estranguladoras en el conducto de aspiración. En este tipo de regulación, el compresor funciona suempre a la carga necesaria, que debe coindidir con la regulada.

2.3.3 Depósitos de aire comprimidoLa mayoría de las instalaciones neumáticas, incluidas las de menor tamaño y las portátiles, disponen de uno o varios depósitos acumuladores.

El depósito acumulador tiene las misiones siguientes: Adaptar el caudal del compresor al consumo de la red. Acumular el aire comprimido, ejerciendo de reserva energética y reguladora de la

presión de servicio. Reducir los impulsos discontinuos de presión que produce el compresor para estabilizar

el aire. Compensar las oscilaciones de consumo de aire provocadas por las demandas puntas

de servido. En caso de emergencia por corte de suministro eléctrico, devolver los elementos de la

instalación a su posición de reposo y/o seguridad.

Otros requisitos gue debe cumplir el depósito acumulador son los siguientes; Tener un grifo de purga. Tener indicadores de presión y temperatura. Incorporar una válvula de seguridad. Estar alejado de cualquier fuente calorífica, incluido el compresor, si es posible, para

facilitar la condensación del vapor de agua procedente del compresor. En los grandes depósitos, disponer de una puerta de Inspección para la entrada de

operarios.

El dimensionado del depósito acumulador depende de los elementos siguientes; El caudal nominal del compresor El consumo de aire La diferencia de presiones admisible en la presión de servicio El tipo de regulación

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Para regulación por arranque-parada, la fórmula siguiente proporciona un volumen adecuado del depósito en metros cúbicos (m3) (también se puede utilizar un gráfico):

donde

es el caudal nominal del compresor en Nm3 /min. es el numero de arranque-paradas por hora, o frecuencia de conmutación. es la presión máxima permisible en el interior del depósito, o presión máxima de

servicio, en bares. Supone la detención del compresor. es la presión mínima en el interior del depósito, o presión mínima de servicio,

en bares. Supone e) arranque del compresor. es el incremento de presión dé conmuiactón.

2.3.4 Salas de compresoresDurante la compresión del aire se producen altas temperaturas que revierten en el calentamiento del local donde se halla el compresor. Por este motivo, conviene que el emplazamiento disponga de una refrigeración eficiente y que respete otras consideraciones, la mayoría regidas por el sentido común. A continuación se enumeran algunas:La sala del compresor tiene que estar bien ventilada y debe ubicarse junto a un muro exterior orientado al norte. Las tomas de aire del exterior, o respiraderos, se hallarán a suficiente altura como para evitar la entrada de polvo o arena del tránsito de vehículos. El filtro de entrada aspirará sólo aire limpio y seco, lejos de humos del parque de vehículos a motor y de humos de disolvente de la planta de pintura o almacén. Deberán evitarse ubicaciones donde el aire pueda tener unos niveles de humedad altos. Por ejemplo, al lado de estanques, ríos o canales. Se evitarán ubicaciones donde el viento arrastre polvo, gravilla o suciedad. La toma del techo de la planta debe estar protegida del clima y de emisiones de conductos y chimeneas.

2.3.5 Mantenimiento del compresorPara mantener el compresor en buenas condiciones, se recomienda:

Comprobar con frecuencia la temperatura del aire descargado. Limpiar a menudo el filtro de aceite. Confirmar que no haya vibraciones.

La periodicidad de mantenimiento dependerá de la instalación y su uso. En general, determinadas partes requieren un mantenimiento semanal y ciertas otras, un mantenimiento mensual.

Mantenimiento semanal: Drenar el tanque del compresor, el tambor del filtro y las tuberías de aire que tengan

llaves de drenaje. Revisar el nivel de aceite en el cárter del compresor, si este se lubrifica. Revisar la válvula de segundad del compresor y de los depósitos de aire.

Mantenimiento mensual: Revisar el filtro de descarga de aire. Revisar el tarado de la válvula reductora de presión. Verificar el funcionamiento de las purgas automáticas.

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