Aire comprimido
Dentro de
las aplicaciones industriales, los componentes que utilizan fluidos a presión
van tomando una gran preponderancia y su aceptación se universaliza cada vez
mas a medida que se van desarrollando nuevas aplicaciones. Es por esta razón que el aire comprimido se
ha convertido en la segunda fuente de energía utilizada en la industria,
después de la energía eléctrica, ahora otra gran fuente es el gas.
Si se pregunta por qué el aire comprimido, la
respuesta es por su velocidad y su rapidez de respuesta de trabajo. Su acción no es tan rápida como la eléctrica,
pero si es notablemente más rápida que la hidráulica. Por otra parte podemos pensar que la energía
neumática tiene como materia prima el aire atmosférico el cual se puede tomar
en la cantidad necesaria, totalmente gratuito, para comprimirlo y transformarlo
como fuente de energía.
El aire atmosférico es un gas incoloro, insaboro e
inoloro, compuesto por una mezcla de gases, que posee todos los elementos de la
tabla periódica, y también vapor de agua.
La presión atmosférica es entonces la fuerza que
ejercen los once Kilómetros de estos gases atmosféricos, sobre el aire de la
superficie terrestre.
Se definen algunos términos claves con los que se
trabaja e identificaran los parámetros de operación.
1. PRESIÓN DE AIRE:
La presión se define como la fuerza
que actúa sobre unidad de superficie.
Donde P para el sistema inglés (lbf/in2) y
para el sistema internacional
(kgf/cm2).
Al confinar un gas en un recipiente, el choque de las
moléculas entre si y con las paredes del recipiente es lo que origina la
presión. Al comprimir el gas
paulatinamente se aumentará el choque de las partículas, por tener menos área
de acción, aumentando por ende la presión.
La presión es usualmente medida por un manómetro que registra la
diferencia entre la presión en un recipiente y la presión atmosférica. La presión tomada en el manómetro no es la
presión verdadera, para obtener la presión verdadera es necesario adicionar la
presión manométrica.
PRESIÓN BAROMÉTRICA
O ATMOSFÉRICA:
Es la presión atmosférica absoluta
existente en la superficie de la tierra, varía con la altitud y con el
contenido de vapor de agua. A nivel del
mar es 14.69 PSI.
PRESIÓN MANOMÉTRICA O RELATIVA:
La presión relativa es la medida de
presión sobre la presión atmosférica, es la que se indica en los manómetros
PSIG (Pound Square Inche Gauge).
PRESIÓN ABSOLUTA:
La presión absoluta es la medida de
presión sobre el cero absoluto o vacío absoluto.
VACÍO:
Es la presión resultante por debajo de
la presión atmosférica, es la presión negativa.
Normalmente la presión de vacío se expresa en pulgadas de agua o de
mercurio.
2. TEMPERATURA
Por estar en continuo movimiento, las
moléculas poseen energía cinética que es la verdadera indicación de
temperatura, por ende el calor es la energía cinética de las moléculas.
Por lo anterior se concluye que cuando las
moléculas quedan inmóviles tendrían temperatura de cero absoluto, el cual es el
punto de partid par las escalas termodinámicas o absolutas de temperatura.
Cero absoluto = -273.15° C
= -460° F
A recordar
las escalas absolutas son: grados Rankine (°R) o grados Kelvin (K).
De otra forma el cero absoluto es aquella temperatura
que se presentaría en el caso deque todo el calor se remueva del material
(energía cinética s cero) o la temperatura, a la cual teóricamente el volumen
del gas sería cero.
3. HUMEDAD RELATIVA
La humedad
relativa normalmente se considera cuando se trata del aire atmosférico, para
efectos de cálculos es la relación entre la presión parcial de vapor actual en
la mezcla aire-vapor y la presión de vapor saturada a la temperatura de bulbo
seco en la mezcla, igualmente se expresa en porcentaje.
Para hacer
las correcciones necesarias por humedad relativa se utiliza la siguiente
expresión:
H.R =
(Presión parcial de vapor) / (Presión de vapor saturado)
La presión
de vapor saturada se obtiene dependiendo de la temperatura ambiente.
4. CAPACIDAD
La capacidad
es el parámetro básico para la especificación de los compresores, y es la
cantidad de aire en la unidad de tiempo que suministra el compresor entre las
presiones de trabajo.
Las unidades
que se maneja generalmente entre los fabricantes de equipos son:
Sistema Inglés: CFM ( Cubic Feet
Per Minute)
Sistema
internacional: Nm3/ min. (Normal Cubic Meter Per Minute)
En los
catálogos de fabricantes se encuentran las siguientes especificaciones.
CFM: Pies
cúbicos por minutos
Esta
especificación es utilizada únicamente para referirse al desplazamiento teórico
del pistón, esto es para compresores reciprocantes o de pistón, es el volumen
físico del cilindro. Nunca debe usarse
para especificar un equipo y que solo indica el volumen por tiempo, pero no
indica que condiciones.
SCFM: Pies
cúbicos por minuto estándar
Se refiere
al aire atmosférico a condiciones estándar que son:
-14.696 PSIA ó 1.01 Bar
- 60° F ó 16° C
- 0%
Humedad relativa (H.R)
NCFM: Pies cúbicos
por minuto normal
Se utiliza
para referirse a las condiciones normales de aire atmosférico, a saber.
- 14.696 Psia ó 1.01 Bar
- 68° F ó 20° C
- 36%
Humedad relativa (H.R)
ACFM: Pies
cúbicos por minuto actual
Referido
para indicar el aire realmente entregado a las condiciones de admisión del
compresor, o sea a las condiciones del sitio de funcionamiento del equipo,
tomando antes del filtro de admisión.
ICFM: Pies
cúbicos por minuto a la admisión
Se refiere
al aire atmosférico suministrado por el equipo, tomado en la admisión, o sea
después del filtro.
En
conclusión, dependiendo dl prefijo que denote la unidad de caudal se establecen
las condiciones del cálculo:
S:
Condiciones estándar (Norma América)
N:
Condiciones normales (Norma Europea)
A: Condiciones
actuales (Medio ambiente en el sitio de instalación del compresor)
I:
Condiciones a la admisión (en la brida de la admisión)
5. AIRE LIBRE
Las
cantidades en SCFM ó Nm3/ min que se dan generalmente en los
catálogos para el consumo de aire por las herramientas neumáticas o
equipos. Se refieren al aire libre por
minutos (aire atmosférico a la presión y a la temperatura estándar o normal).
El dato
sobre la capacidad del compresor que da el fabricante debe estar también
referido el aire libre, con el objeto
que exista una correspondencia entre consumo y capacidad. Como no es posible medir el aire a la admisión los fabricantes toman el aire
libre a la salida del compresor y mediante fórmulas lo llevan a la admisión y
es así como especifican la capacidad del compresor. A veces se presenta errores porque se
selecciona un equipo basado en aire libre, por ejemplo, se mide el volumen de
un cilindro neumático, pero este volumen ya va a estar comprimido entonces habría
que llevarlo a aire libre; para hacer esta relación se tiene la siguiente
expresión.
donde,
Vr =
Volumen real de aire libre
P1
= Presión atmosférica del lugar
P0
= Presión atmosférica estándar /normal
Para obtener
el aire estándar o normal a las condiciones actuales se utiliza la formula:
donde,
Q0
= Caudal en condiciones estándar o normal
P0
= = Presión atmosférica estándar /normal
P1
= Presión atmosférica del lugar de trabajo
H.R =
Humedad relativa del lugar
Pv
= Presión de vapor
T1
= Temperatura del sitio de trabajo, en K ó R
T0
= Temperatura estándar o normal, en K ó R.
COMPRESIÓN DE AIRE
La
compresión de aire tiene un propósito básico que es el de suministrar un gas a
una presión más alta del que originalmente existía. El incremento de presión puede variar de unas
cuantas onzas a miles de libras por pulgada cuadrada (PSI) y los volúmenes
manejados de unos pocos pies cúbicos por minuto (CFM) a cientos de miles.
La
compresión tiene variedad de propósitos:
Transmitir
potencia para herramienta neumática.
Aumentar
procesos de combustión.
Transportar
y distribuir gas.
Hacer
circular un gas en un proceso o sistema.
Acelerar
reacciones químicas.
MÉTODOS
DE COMPRESIÓN
Se usan
cuatro métodos para comprimir un gas. Dos están en la clase intermitente y los
otros dos en la clase de flujo continuo, estos métodos son:
1. Atrapar cantidades
consecutivas de gas en algún tipo de encerramiento, reducir el volumen
incrementando la presión para después desalojar el gas del encerramiento.
2. Atrapar cantidades consecutivas de gas en
algún tipo de encerramiento, trasladarlo sin cambio de volumen a la descarga y
comprimirlo por contra flujo.
3. Comprimir el gas por
la acción mecánica de un impulsor o un motor con paletas en rápida rotación,
que imparten velocidad y presión al gas que esta fluyendo.
4. Alimentar el gas en
un chorro de alta velocidad del mismo o diferente gas y convertir la alta
velocidad de la mezcla a presión en un difusor.
Los
compresores que usan los métodos 1 y 2 son de la clase intermitente y se
conocen como compresores de desplazamiento positivo. Aquellos que usan el método 3 se conocen como
compresores dinámicos y los empleados en el método cuatro se denominan eyectores.
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