AIRE COMPRIMIDO.pdf

La utilización del aire comprimido y de sus propiedades como medio de energía para producir un
movimiento y un trabajo.
El aire es una mezcla de gases con la siguiente composición:
Nitrógeno 78 %. Oxigeno 21 %, 1 %. Agua, Dióxido de Carbono, Hidrógeno y Gases nobles.
Lo podemos encontrar libre en la atmósfera, y es posible almacenar en depósitos.
El aire, en el estado natural en el que es aspirado por el compresor, no siempre es apto para su
uso en este tipo de instalaciones. La humedad y las partículas en suspensión son los principales
problemas
Neumática

Generación del aire comprimido
El aire comprimido, por el hecho de comprimirse, comprime también
todas las impurezas que contiene, tales como polvo, hollín, suciedad,
hidrocarburos, gérmenes y vapor de agua.
A estas impurezas se suman las partículas que provienen del propio
compresor, tales como polvo de abrasión por desgaste, aceites y
aerosoles y los residuos y depósitos de la red de tuberías, tales como
oxido, cascarilla, residuos de soldadura y las substancias
hermetizantes que pueden producirse durante el montaje de las
tuberías y accesorios.
Aire comprimido

• Estas impurezas pueden crear
partículas más grandes (polvo +
aceite) por lo que dan origen muchas
veces a averías y pueden conducir a
la destrucción de los elementos
neumáticos.
• Es vital eliminarlas en los procesos de
producción de aire comprimido, en los
compresores y en el de preparación
para la alimentación directa de los
dispositivos neumáticos. .
El agua origina un desgaste prematuro en los componentes neumáticos, ya que arrastra el aceite
que lubrica las partes móviles, produce partículas de óxido en las tuberías de distribución,
deteriora las tuberías flexibles y favorece la formación de hielo en ambientes de trabajo a baja
temperatura. Las impurezas sólidas dañan las juntas y las partes móviles de los componentes

Impurezas en el aire comprimido

• La norma DIN ISO 8573-1 indica las clases de calidad del aire.
• En la tabla pueden verse las aplicaciones y las clases de calidad (DIN ISO 8573-1) recomendadas
para cada aplicación neumática.
Aplicaciones y Calidad del aire para aplicaciones neumáticas

La depuración del aire comprimido comienza en la estación de Compresión:
- El filtro de entrada retiene las partículas grandes de polvo en suspensión. Con el fin de
alargar la vida útil de estos filtros, la aspiración del compresor deberá estar alejada de
lugares donde se producen (lijadoras, pulidoras, etc).
- Los refrigeradores de aire instalados en el compresor condensan gran parte del vapor de
agua aspirado. Para que la cantidad de agua aspirada sea la menor posible, el compresor
debe instalarse en el lugar más seco y fresco posible.
- El acumulador es un eficaz colaborador en la limpieza del aire, ya que en él se depositan
los condensados de agua de los refrigeradores y el aceite procedente del compresor.

• La refrigeración se consigue en:
• Compresores pequeños, con aletas de
refrigeración montadas en los cilindros que
se encargan de irradiar el calor.
• Compresores mayores con un ventilador
adicional, que evacua el calor o bien en
caso de potencias muy grandes (> 30 kW)
con un sistema de refrigeración por
circulación de agua en circuito cerrado o
abierto.
En la figura puede verse que la cantidad de
agua contenida en el aire depende de la
humedad relativa que es función de la
temperatura.
Contenido de agua en el aire según la temperatura. El eje X
indica temperaturas y el Y el contenido del agua

• La condensación que se produce durante la conducción de aire comprimido debido al
progresivo enfriamiento debe ser purgada al exterior de la tubería de conducción antes de
que llegue a los elementos neumáticos. Esta condensación puede ser evitada utilizando
secadores de aire .
• Los secadores son elementos que separan automáticamente la humedad del aire comprimido
en grado suficiente para evitar que se produzcan posteriores condensaciones en el circuito.
los secadores pueden ser de 2 tipos
• secado por frío
• absorción,
• membrana
• adsorción.

• En el método de secado por frío o de
refrigeración, la temperatura del aire disminuye
por efecto de un agente refrigerante, formándose
condensado y disminuyendo así el contenido de
agua del aire.
• En la figura puede verse este proceso que suele
realizarse en varias fases (aire-aire y aire-agente
refrigerante).

• En el secado por absorción la humedad es
absorbida y se disuelve en una sustancia
química.
• La sustancia química es una solución salina a
base de NaCl que se consume a razón de 1 kg de
sal por cada 13 kg de condensado, por lo que
debe reponerse constantemente.
• Con este sistema, se alcanza un punto de
condensación máximo de –15 °C.
• Otros agentes refrigerantes son glicerina, ácido
sulfúrico, tiza deshidratada y sal de magnesio
hiperacidificado.

• Los secadores de membrana están compuestos
por un haz de fibras huecas permeables al vapor y
que está rodeada por aire seco derivado del aire que
ya fue sometido al proceso de secado.
• El secado se produce por la diferencia parcial de
presión entre el aire húmedo en el interior de las
fibras huecas y el flujo en sentido contrario del aire
seco.
• Con este método se alcanzan puntos de
condensación de hasta –40 °C (punto de rocío del
aire comprimido).

• Alimentación directa de los dispositivos neumáticos
• Una vez generado el aire comprimido en el compresor y secadores, debe ser preparado para que
alimente en óptimas condiciones a los dispositivos neumáticos.
• La unidad de alimentación está compuesta por un filtro, un regulador de presión y un lubricador
del aire. El aire debe ser filtrado para que las partículas remanentes que no han sido eliminadas o
generadas en el depósito acumulador, el filtro secador y el separador de agua no ejerzan una
acción de abrasión sobre los elementos neumáticos.
• Además los dispositivos neumáticos deben alimentarse con el aire comprimido a una presión
determinada (normalmente 6 bar) independientemente de los consumos variables de la
instalación, misión que realiza el regulador de presión. Por otro lado, las partes móviles de los
sistemas neumáticos necesitan lubricación, función realizada por el lubricador.

• El filtro libera las impurezas (aceite, contaminantes)
y la humedad contenida en las tuberías de aire
comprimido impartiendo un movimiento en ciclón al
aire con lo que las impurezas se separan por la
fuerza centrífuga.
• Dispone de cartuchos filtrantes porosos de 5 a 100
micras que deben limpiarse y cambiarse
periódicamente.
• El condensado de los contaminantes se purga de
forma manual o automática por medio de un tornillo
de purga situado en la parte inferior del filtro.

• El regulador de presión mantiene constante el
consumo de aire y la presión de trabajo con
independencia de la presión variable de la red. La
presión de salida viene indicada por un
manómetro.
• En su funcionamiento, la presión de salida es
regulada por una membrana que está sometida
por un lado a la fuerza de un resorte accionado
por un tornillo y por el otro, a la ejercida por la
propia presión de salida.
• Existen dos tipos de reguladores de presión, con
orificio de escape y sin orificio de escape.

• El lubricador aporta a los dispositivos
neumáticos (cilindros, motores, válvulas,
…) el lubricante necesario para su
funcionamiento correcto.
• El aceite asciende a la parte superior del
lubricador por efecto Venturi y cae en la
corriente de aire, que lo nebuliza y lo
transporta a la instalación.
• Las unidades de mantenimiento tienen
una salida de aire auxiliar antes del
lubricador para las partes de la
instalación que precisen aire sin lubricar.

Red de Distribución de Aire
• El aire comprimido se hace llegar a los puntos de
utilización por una red de distribución.
• Las redes de distribución de aire comprimido surgen
para poder abastecer de aire a todas las máquinas y
equipos que lo precisen, por lo que se debe tender
una red de conductos desde el compresor y
después de haber pasado por el acondicionamiento
de aire, es necesario un depósito acumulador,
donde se almacene aire comprimido entre unos
valores mínimos y máximos de presión, para
garantizar el suministro uniforme incluso en los
momentos de mayor demanda.

Red de Distribución de Aire
Entre estos elementos podemos mencionar:
• Caudal o flujo: es el aire que sale del compresor, su cantidad
• Presión de trabajo: es lo que determinará el tipo de tubería que necesitamos
• Calidad de aire: dependerá del tipo de uso que le daremos, no es la misma calidad de aire que
necesitaremos si se trata de un uso para la industria de la alimentación como para la industria
de herramientas clínicas
• Distribución del equipo: cómo estará ubicada la red de aire en el espacio que dispongamos
• Además de estos elementos, las redes cuentan con una serie de accesorios que le dan
versatilidad al circuito de distribución de tuberías, como uniones, codos, tee, uniones
universales para facilitar montaje y desmontaje de la tubería, válvulas para apertura y cierre,
reductores para regular o restringir el caudal de aire comprimido.

 El ciclo del aire comprimido en una instalación se completa cuando los actuadores finales
lo utilizan para efectuar un trabajo.
 Una red de distribución de aire comprimido conduce el aire comprimido hacia la
alimentación de las máquinas consumidoras

Configuración de las redes de aire comprimido
Existen varias configuraciones para una red de aire comprimido
Red Ramificada o Abierta
Formada por tuberías que parten de la central compresora y se ramifican hasta llegar a los puntos de
consumo final. Es la red más económica, puesto que supone menor longitud de tuberías.
La principal desventaja de este tipo de
redes es su mantenimiento. Ante una
reparación es posible que se detenga el
suministro de aire "aguas abajo" del
punto de corte lo que implica una
detención de la producción.

Red Mallada o Cerrada
En esta configuración la línea principal constituye un anillo. La inversión inicial de este tipo de red es mayor
que si fuera abierta. Sin embargo con ella se facilitan las labores de mantenimiento de manera importante
puesto que ciertas partes de ella pueden ser aisladas sin afectar la producción.

Red Mixta
Es la más frecuentemente empleada. Está formada por una combinación de circuitos cerrados
y ramales, en función de las necesidades de cada tramo. Intenta aprovechar las ventajas de
cada una de las distribuciones anteriores.

Diámetro adecuado de la instalación
En el dimensionamiento de una red de tuberías hay que tener en cuenta los parámetros siguientes:
• La presión de trabajo
• El caudal del aire comprimido
• La longitud de la tubería y el número de accesorios que deben incluirse en función del trazado elegido

El caudal máximo
los siguientes gráficos revelan hasta qué punto la instalación existente se mostrará operativa ante un
eventual aumento de caudal

Red de Distribución de Aire (I)

¿Qué etapas se deben seguir en el diseño de las instalaciones de aire comprimido?
1. Identificar los accesorios, herramientas y equipos consumidores de aire comprimido, determinando las
condiciones de su consumo, como: caudal de aire y presión de suministro o de trabajo del equipo, máximo
nivel de humedad admitido en el aire, de partículas y de contenido de aceite.
2. Realizar un esquema en planta de la ubicación de los equipos con necesidades de aire comprimido según las
características arquitectónicas de la industria. De esta forma, podremos seleccionar la configuración de la red
que más se adecúa a las características de la nave.
3. Establecer el porcentaje de tiempo de funcionamiento de cada consumidor y el número de consumidores que
pueden trabajar de forma simultánea en cada línea de distribución y en la línea principal
4. Estimar las posibles pérdidas por fugas, incorporándolo en el cálculo
5. Realizar el cálculo de la caída de presión máxima para cada punto final de consumo. El mayor valor obtenido
será el que condicionará las prestaciones del compresor.
6. Selección de los restantes elementos del sistema (compresor, depósito, equipos de tratamiento, etc.) y diseño
final del “piping” de la red.

Presión:
Se debe estimar la presión a la cual se desea trabajar para establecer el funcionamiento del compresor y de la
red. Generalmente una red industrial de aire comprimido tiene presiones de 6 a 7 bar .
Caudal:
El caudal de la red deberá ser determinado en base a la demanda. Los dispositivos neumáticos traen en sus
catálogos métodos para estimar su consumo.

Pérdida de presión:
Los componentes de una red de aire comprimido como codos, tes, cambios de sección, unidades de
mantenimiento, y otras se oponen al flujo generado de presión. Garantizar que las pérdidas estén en los límites
permisibles es una labor esencial del diseño
Velocidad de circulación:
Esta velocidad debe controlarse puesto que su aumento produce mayores pérdidas de presión.
La velocidad de circulación del aire comprimido en las tuberías debe estar comprendida entre 6 y 10 m/s.
.

Estimación de las pérdidas de carga
Se recomienda que en las instalaciones neumáticas la caída de presión máxima entre la salida del compresor y el
punto de consumo más lejano sea como máximo de 0,1 bar. Además, hay que tener presentes las pérdidas
finales originadas en la manguera flexible de conexión y otros conectores con el instrumento o utensilio que
constituye el punto de consumo.
El cálculo de las pérdidas de carga en una instalación de aire comprimido, se puede abordar con los métodos
habituales utilizaos en los flujos de líquidos en tuberías:
• La ecuación de Darcy-Weisbach y calculando el factor de fricción valiéndose del diagrama de Moody o de una
de las fórmulas empíricas clásicas (Colebrook, pSAK, etc…).
• Utilizar nomogramas proporcionados por los fabricantes de tuberías o de compresores. Los nomogramas son
gráficos con rectas regladas que representan una ley matemática

Nomograma que relaciona el diámetro interno de la tubería, el
caudal en condiciones normales, la longitud de la tubería y la
pérdida de presión en la tubería

Determinación del diámetro de las tuberías
Para poder obtener el diámetro de las tuberías que van a distribuir el aire comprimido en una instalación
neumática, hay que seguir los siguientes pasos:
1. Establecer las necesidades de presión absoluta de cada máquina conociendo la presión atmosférica
2. Recuerda: Pabsoluta=Patmosférica+Pmanométrica
3. Transformar las necesidades de caudal de cada máquina utilizando la presión de la misma y la del depósito
acumulador, aplicando la ley de Boyle-Mariotte: P1·V1=P2·V2. Considerando el caudal volumétrico, en lugar
del volumen: P1·Q1=P2·Q2
4. Calcular las necesidades de caudal totales en las condiciones más desfavorables, es decir, cuando están
todos los equipos en marcha simultáneamente:
Q=∑Qi siendo i cada uno de los equipos/elementos que requieren aire comprimido

4º) Calcular los diámetros preliminares de la tubería principal y de las acometidas sabiendo el rango de velocidad
en cada caso y las necesidades de caudal de los equipos a los que suministran el aire comprimido:
Como orientación, se puede considerar que la velocidad en la línea principal es de 6-10 m/s y en las acometidas
de 15-20 m/s.
5º) Seleccionar de un catálogo comercial las tuberías que mejor se ajuste a los resultados de diámetros
preliminares obtenidos.

La determinación del diámetro interno de una tubería de aire comprimido, puede realizarse con el
segundo nomograma
1º Se marca la longitud de las tuberías y el caudal en los ejes A y B
2º Se unen ambos puntos con una línea recta, cuya prolongación cortará al eje C en un punto
3º Se marcan en los ejes E y G la presión mínima del sistema y la pérdida máxima de presión
deseada. La línea recta entre esos dos puntos corta al eje F.
4º Se traza una recta que une los puntos de corte de los ejes C y F que cortará al eje D en el
punto que indica el diámetro exigido para las tuberías

Nomograma que relaciona la longitud de la
tubería, el caudal, la sección libre de la
tubería, la presión del sistema y la pérdida
de presión

Para calcular la pérdida de carga en otras
situaciones (codos, derivaciones en T,
bifurcaciones, reducciones, válvulas...), se
sustituye cada accesorio de estos por unas
longitudes de tubería equivalente, para
posteriormente calcular su pérdida de carga
como si se tratara de tramos rectos de
tubería.
Longitud equivalente de tubería en metros en
función del componente considerado de la
instalación de aire comprimido

Ejemplo de dimensionamiento de una red de alimentación de
dispositivos neumáticos
• Se parte de que la red neumática tendrá una longitud de 300 m.
• Se determinada en un plano en planta del taller la ubicación de las herramientas neumáticas que
van a utilizarse y trazando el camino de la red en el taller para que haya como máximo una
distancia de 5 metros entre la red y los equipos o herramientas neumáticas.
• La presión de aire comprimido se encuentra entre 6 y 7 bares y la pérdida de carga máxima
entre los equipos de generación de aire comprimido y el punto más lejano de la red es de 0,1 bar

• Consumos de aire de diferentes dispositivos neumáticos. Fuente: Hesse - FESTO

Para dimensionar correctamente una red neumática debe considerarse que el compresor debe
proporcionar tanto aire como el que las unidades consumen de forma intermitente.
Lo normal es que dichas unidades tengan tiempos muertos, ya que por ejemplo, el operario tiene que
parar el consumo de aire del dispositivo neumático para posicionar las piezas en la maquinaria,
cambiar los utensilios (broca,…), situar un perno en posición, etc., y en estos tiempos muertos un
compresor de menor capacidad tendría tiempo para cargar a presión el depósito o la red de aire
comprimido.

El tiempo en que la máquina está consumiendo aire, es decir la duración de la conexión, se
denomina factor de uso, que es propio de cada tipo de máquina y que está determinado por la forma
en que ésta trabaja. Estos coeficientes se han determinado mediante cronometraje en diversos
trabajos realizados en varias fábricas.
Factor de uso. Fuente: Hesse – FESTO

Otro factor que hay que tener en cuenta
para calcular el consumo es el factor de
simultaneidad, el cual depende del número
de unidades que en cada momento
consumen aire.
Es prácticamente imposible que trabajen
simultáneamente todas las unidades ya que
siempre hay un desfase entre sus periodos
de trabajo. El factor de simultaneidad se
conoce por los datos determinados en
distintas industrias.

Conociendo el número de dispositivos neumáticos a alimentar y los factores de uso y de
simultaneidad es posible dimensionar la red de aire comprimido con todos sus componentes
(compresor, depósito, filtro, red de tuberías y dispositivos neumáticos). .
El factor dos tiene la finalidad de compensar los picos de consumo ya que por experiencia se sabe
que el consumo medio del aire es entre un 20% y un 60% del consumo máximo del aire.
Se estima un 30% de reserva y se considera que se realiza un buen mantenimiento en el taller por
lo que supone un 10% de fugas.

Cálculo de consumo de la instalación, con el resultado de 142 Nl/s.

En nuestro taller, la red tiene una longitud
de 300 m., la pérdida de carga máxima es
de 0,1 bar y el consumo de aire es de 142
Nl/s = 0,142 Nm3/s * 3.600 s = 511,2
Nm3/h.
En el gráfico se obtiene una tubería con
diámetro interior de 70 mm por lo que,
teniendo en cuenta los accesorios de la
instalación, se selecciona inicialmente
el diámetro comercial de 100 mm.

En el gráfico se obtiene una tubería con
diámetro interior de 70 mm por lo que,
teniendo en cuenta los accesorios de la
instalación, se selecciona inicialmente
el diámetro comercial de 100 mm.

El siguiente paso en el cálculo es determinar la pérdida de carga adicional que causan las
válvulas, codos y accesorios en general. Para ello se asume que estos componentes añaden una
longitud equivalente (ficticia) de la tubería a la longitud real de los tubos. Esta longitud ficticia
puede verse a continuación en la tabla

• En el gráfico, para la longitud 500 + 281 = 781
metros, pérdida de carga de 0,1 bar y 511,2
Nm3/h, se determina el valor de 90 mm como
diámetro interior de la tubería. Luego se
selecciona el diámetro comercial de 100 mm.
• Según la norma UNE 1063 las tuberías que
conducen aire comprimido deben ser pintadas
de azul moderado UNE 48 103.
• La inclinación de las tuberías puede ser del 2%
y al final debe instalarse una válvula de purga.

• Otro aspecto importante de las redes de aire comprimido son las fugas de aire que pueden
producirse. En la tabla pueden verse las pérdidas de aire correspondientes a varios diámetros
de orificios.

• Otro método para calcular las fugas en los aparatos de consumo, es conectar todas las
herramientas, máquinas y aparatos neumáticos y se mide la suma de todas las fugas. Después, se
cierran las válvulas de cierre de las conexiones a los dispositivos neumáticos y se miden las fugas
de la red de tuberías. La diferencia entre ambos valores representará la fuga total en las unidades
de consumo, la grifería y las conexiones. La experiencia demuestra que aproximadamente un 70%
de las fugas se dan en los últimos metros de la red de tuberías, es decir, en los puntos de toma de
aire de los dispositivos neumáticos.
• Las fugas pueden localizarse con un detector acústico ultrasónico que capta la alta frecuencia de
los sonidos causados por las fugas. Puede emplearse también el método económico de la espuma
de jabón, pasando una brocha por las tuberías o los lugares sospechosos, quedando las fugas en
evidencia por las burbujas jabonosas de aire que aparecen.
• En una buena red de aire comprimido, las caídas de presión entre el compresor y el punto de
utilización no deben superar el 10%, es decir, entre 0,34 a 1 bar ( 5 a 15 psi) como máximo.
Téngase en cuenta que por cada 0,14 bar (2 psi) de caída de presión se tendrá un aumento del 1%
en el costo equivalente de la potencia consumida por el compresor.

• Al calcular el consumo promedio de la planta se estima el requerido a baja presión (2,5 a 3,5 bar -
35 a 50 psi) y el total en alta presión (> 3,5 bar = 50 psi). Si uno de estos valores supera al otro en
un 20% o 30%, es conveniente disponer de un sistema de baja presión (LP) y otro de alta presión
(HP).
• Es conveniente que la presión en la red, dando una alimentación correcta para los dispositivos
neumáticos, sea la menor posible. Por ejemplo, si la presión de generación es de 6 bar en lugar de
7 bar se reducen los costes en un 4%.
• Aspirando el aire frío exterior hacia el compresor, en lugar del aire interior del cuarto de
compresores, representa una disminución de los costes del 3%.

• Para seleccionar un compresor adecuado para la instalación, se debe contemplar la hipótesis de
consumos que se considere que va a ser la más habitual. El depósito de regulación que se
dimensionará más tarde, permitirá dar respuesta a los picos puntuales de consumo que se puedan
producir. Para ello, vamos a considerar los siguientes coeficientes
Selección del compresor o compresores
• Coeficiente de uso (Cu): Fracción del tiempo total de funcionamiento en el que la máquina
consume aire comprimido
• Coeficiente de simultaneidad (Cs): Considera el hecho de que generalmente todas las máquinas
de una instalación neumática no funcionen a la vez. Los Página 9 de 10 manuales suelen
proporcionar valores de este coeficiente en función del número de máquinas que alimenta la
instalación
• Coeficiente de mayoración para futuras ampliaciones (CMA): Normalmente, se suele prever que el
consumo pueda aumentar en un determinado porcentaje en el futuro al añadir nuevas máquinas
a la instalación. Si fuera este porcentaje del 30%, CMA sería 1,3.

• Coeficiente de mayoración por fugas (CMF): Las fugas de aire son inherentes a toda instalación
neumática y se puede estimar que si como dato orientativo, si el montaje de la instalación lo
realiza personal cualificado y con material de calidad, CMF sería de1,05
• Coeficiente de ciclo de funcionamiento del compresor (CCC): Es el cociente entre la duración total
del ciclo de funcionamiento (tiempo entre arranques) y el tiempo en el que el compresor produce
aire comprimido (tiempo del compresor funcionando).
• Donde:
• QEsp: Es el consumo específico de caudal de cada máquina en CN
• Cs: Es el coeficiente de simultaneidad
• Cui: Es el coeficiente de uso de cada máquina

¿Se debe elegir un compresor grande o varios pequeños?
Aunque los compresores son máquinas simples y robustas, requieren conservación y puede ser
necesario retirarlas del servicio para repararlas.
Por este motivo, en instalaciones grandes, se recomienda disponer de compresores de reserva para
asegurar un trabajo continuado y poder alternar periódicamente los grupos instaladas con el
consiguiente beneficio para los mismos.
Una solución puede ser instalar tres máquinas de igual capacidad y que cada una de ellas sea
capaz de suministrar la mitad de las necesidades totales de aire de la instalación neumática. Dos
compresores estarán normalmente en funcionamiento, mientras que el otro permanecerá en
reserva, teniendo un conjunto que podamos razonar como “2+1” (Carnicer, 1991).

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