Apunte aire comprimido

Instalaciones Industriales
18 de septiembre de 2019
Aire comprimido
El aire atmosférico
LA
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OM
El aire es una mezcla incolora, inodora e insípida de gases, principalmente de oxígeno (21%) y
nitrógeno (78%); sólo una pequeña porción (alrededor del 1%) corresponde a otros gases: CO2 y
gases inertes, como argón, helio y neón. Esta composición es relativamente constante desde el
nivel del mar hasta una altitud de 25 km. De lo dicho se desprende que el aire no es una sustancia
química pura, sino una mezcla de gases.
Fig. 1 Composición del aire atmosférico.
El aire atmosférico está siempre más o menos contaminado de partículas sólidas, por ejemplo,
polvo, arena, carbonilla y cristales salinos. El grado de contaminación es mayor en las zonas
habitadas y menor en el campo y a gran altitud.
El aire comprimido
FI
Se puede definir el aire comprimido como una determinada masa de aire que se encuentra a una
presión superior a la atmosférica.
Se trata de aprovechar la capacidad de compresión que tiene el aire atmosférico, para usarlo
como energía o para acumularlo en un recipiente con la idea de un uso posterior.
La facilidad de uso del aire comprimido y el hecho de que pueda ser generado localmente, hacen
que tenga múltiples aplicaciones.


Como fuente de energía, para el uso en movimiento de maquinaria, actuadores, soplado,
sistemas de frenos, elevación, etc.
Como aire acumulado, para los sistemas de respiración humana, soplado, ventilación,
procesos biológicos, etc.
Hoy en día, es una de las fuentes de energía más utilizada, debido a su seguridad, rapidez y
facilidad de manejo. Es evidente que la electricidad o el gas siguen estando por delante, debido a
que tienen más aplicaciones que la del aire comprimido, pero son muchas las aplicaciones que se
basan en esta fuente de energía.
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Neumática
Es la rama de la mecánica que estudia el equilibro y movimiento de flujos gaseosos, además es la
tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria para
mover y hacer funcionar mecanismos.
El uso del aire comprimido en la neumática tiene las siguientes ventajas y desventajas:
Ventajas
Comparado con el vapor no oxida,
•
Comparado con la energía eléctrica es más seguro para las personas,
•
Es liviano,
•
Es rápido,
•
Las instalaciones son económicas y no muy grandes,
•
Ofrece la posibilidad de acumular energía,
•
Posee varios usos (generación de fuerza y automatización de movimientos),
•
Cuando las distancias a transportar aire no son muy grandes es económico,
•
Es puro (no toxico),
•
Se utiliza en instalaciones explosivas.
•
El aire es de fácil captación y abunda en la tierra
LA
DD
.C
Desventajas
OM
•
Es necesario aislación acústica en ocasiones,
•
Forma condensado,
•
imposibilidad de obtener velocidades estables debido a la compresibilidad del aire,
•
las posibles fugas.
FI
•
Humedad y condensado
SATURACIÓN DEL AIRE
Se dice que una masa de aire está saturada cuando no puede mantener en suspensión más
cantidad de agua. La saturación se produce cuando la presión de vapor (presión producida por el
peso de las gotitas de vapor que son absorbidas por una masa de aire) llega al valor de presión de
saturación (valor de presión máximo producido por el peso de las gotitas de agua disueltas en el
aire).
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA
La cantidad máxima de agua en suspensión que puede soportar un volumen de aire depende
principalmente de su temperatura. Para poder saber el valor máximo se necesita una tabla de
saturación de aire.
La temperatura del aire afecta de forma directamente proporcional a su capacidad para poder
absorber moléculas de agua.
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Cuando el aire atmosférico se comprime, su capacidad para contener humedad en forma de vapor
es igual a la que tiene su “volumen reducido”. Por lo tanto, a menos que aumente la temperatura,
la humedad será segregada en forma de condesado.
FI
LA
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.C
OM
Utilizando la siguiente tabla que establece los valores de saturación del aire a distintas
temperaturas de este, es posible calcular la cantidad de condensado que se produce al comprimir
aire. Para esto es necesario conocer la temperatura del aire y su humedad relativa:
Ejemplo: 4 m3 de aire atmosférico a 25 °C con una Humedad Relativa del 70%.
Cada uno, según la tabla anterior, tiene:
23,76 x 0,70=16,632 gr de agua
Si un compresor comprime ese volumen hasta obtener 1m3:
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4 x 16,632 = 66,528 gr de agua
Por lo tanto, la cantidad de condensado será:
66,528 -23,76 = 42,768 gr de agua condensada
Calidad del aire comprimido
FI
LA
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.C
Cuál de las tres normas debo utilizar?
OM
Actualmente se utilizan tres normas directamente relacionadas con la calidad (pureza) y las
pruebas a realizar sobre las instalaciones de aire comprimido: Serie ISO8573/serie ISO12500/serie
ISO7183.
ISO8573: la norma de calidad del aire comprimido
ISO8573 es el grupo de normas internacionales referentes a la calidad (o pureza) del aire
comprimido. La norma consta de nueve partes: la parte 1 especifica los requisitos de calidad del
aire comprimido, y las partes 2 a 9 especifican los métodos de prueba para una amplia gama de
contaminantes.
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Especificación de la calidad del aire (pureza) según ISO8573-1
ISO8573-1 enumera los principales contaminantes, como partículas sólidas, agua y aceite. Los
niveles de pureza correspondientes a cada contaminante se muestran por separado en forma de
tabla; no obstante, para que resulte más fácil de usar, aquí se combina todo en una tabla sencilla.
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Especificación de la pureza del aire según ISO8573-1:2010
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Al especificar la pureza del aire necesaria, siempre se debe hacer referencia a la norma, seguida de
la clase de pureza seleccionada para cada contaminante (se puede seleccionar una clase de pureza
diferente para cada contaminante si es necesario).
A continuación, se ofrece un ejemplo de cómo especificar una calidad del aire:
ISO8573-1:2010 Clase 1.2.1
ISO8573-1:2010 hace referencia al documento de la norma y a su revisión; los tres dígitos se
refieren a las clasificaciones de pureza seleccionadas para las partículas sólidas, el agua y el total
de aceite. Si se seleccionase una clase de pureza del aire de 1.2.1, se especificaría la siguiente
calidad del aire al funcionar en las condiciones de referencia de la norma:
Clase 1 - Partículas
En cada metro cúbico de aire comprimido, el máximo de partículas es de 20 000 de 0,1 - 0,5
micras, 400 partículas de 0,5 - 1 micras y 10 partículas de 1 – 5 micras.
Clase 2 - Agua
Se requiere un punto de rocío a presión (PRP) de -40°C como máximo y no se permite agua líquida.
FI
Clase 1 - Aceite
No se permiten más de 0,01 mg de aceite en cada metro cúbico de aire comprimido. Este es el
nivel total para aceite líquido, aerosoles de aceite y vapores de aceite.
Un caso particular en la norma es la Clase cero. Para ello se debe tener en cuenta lo siguiente:
• La definición de Clase 0 no implica que solo se permita una contaminación de nivel cero.
• La Clase 0 indica que el usuario y el fabricante del equipo deben acordar los niveles de
contaminación como parte de una especificación por escrito.
• Los niveles de contaminación acordados para una especificación de Clase 0 deben estar dentro
de las posibilidades de medición del equipo de prueba y los métodos de prueba descritos en
ISO8573 de Parte 2 a Parte 9
• La especificación de Clase 0 acordada debe constar por escrito en toda la documentación para
cumplir la norma.
• Establecer la Clase 0 sin la especificación acordada no tiene sentido y no cumple la norma.
• Varios fabricantes de compresores afirman que el aire suministrado de los compresores sin
aceite cumple la Clase 0.
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Sistema de aire comprimido
OM
• Si el compresor se probó en condiciones de sala blanca, la contaminación detectada en la salida
será mínima. Si el mismo compresor se instala en un entorno urbano típico, el nivel de
contaminación dependerá de lo que entra en la admisión del compresor, con lo cual la indicación
de Clase 0 dejará de ser válida.
• Un compresor que suministra aire de Clase 0 seguirá necesitando un equipo de purificación,
tanto en la sala del compresor como en el punto de servicio, para mantener la pureza de Clase 0
en la aplicación.
• El aire para aplicaciones críticas, como aire respirable, de uso clínico, para el sector alimentario,
etc., normalmente solo requiere una calidad de Clase 2.2.1 o Clase 2.1.1
• La purificación del aire para que cumpla la especificación de Clase 0 solo es rentable si se lleva a
cabo en el punto de servicio.
Un sistema de aire comprimido se considera formado por tres partes:
LA
DD
.C
Producción.
La producción de aire comprimido está constituida fundamentalmente por él o los compresores,
como así también de los siguientes elementos: sistema de enfriamiento del aire comprimido (post
enfriadores), filtros (de aire de admisión y pos-compresión), deshumidificadores (sacadores),
elemento de limpieza del aire comprimido (decantadores de agua y aceites), dispositivos de
seguridad y dispositivos para automatización.
Acumulación, transporte y distribución.
Los elementos para la acumulación, transporte y distribución del aire comprimido son: los
depósitos o pulmones, las cañerías, válvulas, purgas y accesorios (codos, curvas, Te, etc.).
Consumos.
FI
Son aquellas maquinarias y aparatos accionados por aire comprimido para ejecutar una
tarea. Se incluyen en este grupo las unidades de mantenimiento (filtro/regulador/lubricador), las
cuales se utilizan para adecuar el aire comprimido a las necesidades de cada consumo.
Fig. 2 Sistema de aire comprimido
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1. Producción
La producción de aire comprimido se realiza mediante uno o varios compresores.
Se designa como compresor a la máquina operadora que es capaz de elevar la presión del aire,
gases o vapores por sobre la presión atmosférica.
Un compresor admite gas o vapor a una presión (p1) dada, descargándolo a una presión (p2)
superior. La energía mecánica necesaria para efectuar este trabajo la proporciona un motor
eléctrico, de combustión interna o una turbina.
OM
Existen dos principios genéricos de compresión de aire (o gas): compresión de desplazamiento
positivo y compresión dinámica.
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En la compresión de desplazamiento positivo, el aire se aspira en una o varias cámaras de
compresión, donde queda confinado. El volumen de cada cámara disminuye gradualmente y el
aire se comprime internamente. Cuando la presión alcanza la relación de presiones establecida, se
produce la apertura de una lumbrera o una válvula y el aire se descarga al sistema de salida debido
a la reducción continua del volumen en la cámara de compresión.
En la compresión dinámica, el aire se desplaza entre los álabes de un rodete que gira con rapidez y
acelera a gran velocidad. Después se descarga a través de un difusor, donde la energía cinética se
transforma en presión estática. La mayoría de los compresores dinámicos son turbocompresores
con un patrón de flujo axial o radial. Todos están diseñados para grandes caudales volumétricos.
FI
Existen diferentes tipos de compresores los cuales es posible clasificarlos según el principio de
funcionamiento:
Fig. 3 Clasificación de compresores
Los más utilizados a nivel industrial son los de desplazamiento positivo, por ende, se enfocará el
estudio en estos.
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1. Compresor a pistón
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Utiliza un pistón cuyo movimiento ascendente y descendente se realiza mediante una biela y un
cigüeñal.
Fig. 4
FI
Está disponible en variantes de simple o doble efecto, lubricado o exento de aceite y con diversos
números de cilindros en diferentes configuraciones. Con la excepción de algunos compresores
muy pequeños con cilindros verticales, la configuración en V es la más habitual en compresores de
pequeño tamaño.
Fig. 5
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Los compresores lubricados con aceite funcionan normalmente con lubricación por salpicadura o
lubricación a presión.
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La mayoría de los compresores tienen válvulas autoaccionadas. Una válvula autoaccionada abre y
cierra por el efecto de las diferencias de presión en ambos lados del disco. Los compresores de
pistón poseen un sistema de válvula consistente en dos discos de acero inoxidable.
Fig. 6
Cuando el pistón se desplaza hacia abajo y aspira aire al interior del cilindro, el disco más grande
se dobla hacia abajo y permite el paso del aire.
Cuando el pistón asciende, el disco grande se dobla hacia arriba y sella contra el asiento. El disco
pequeño flexible permite entonces que el aire comprimido pase a través del orificio del asiento de
válvula.
La relación de compresión en un compresor es el cociente entre la presión absoluta en el escape
y la admisión. De acuerdo con esto, una máquina que aspira aire a presión atmosférica (1 bar(a)
y lo comprime a 7 bar, funciona con una relación de compresión = (7 + 1) / 1 = 8.
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Fig. 7 Compresor a pistón Atlas Copco – modelo LE5 FF
FI
Clasificación de los compresores a pistón
Fig. 8
De Simple efecto
Si se usa solamente un lado del pistón para la compresión, se denomina compresor de simple
efecto. Si se usan los lados superior e inferior del pistón, se denomina compresor de doble efecto.
Compresores de simple efecto y una etapa de compresión, refrigerados por aire.
Se emplean hasta una capacidad de 1 m3/min. y su rendimiento no supera los 10 CV/m3/min.
De doble efecto
El pistón de doble efecto trabaja sobre sus dos caras y delimita dos cámaras de compresión en el
cilindro, Fig. I.1b. El volumen engendrado es igual a casi 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,
en consecuencia, los volúmenes creados por las dos caras del pistón no son iguales.
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De una etapa
Se componen básicamente de un cárter con cigüeñal, pistón, biela y cilindro. Para su refrigeración,
el cilindro, lleva en la parte exterior, aletas que evacuan el calor por radiación y convección; se
utilizan en aplicaciones en donde el caudal está limitado y en condiciones de servicio intermitente,
ya que son compresores de pequeñas potencias.
En estos compresores, la temperatura de salida del aire comprimido se sitúa alrededor de los
180ºC con una posible variación de ±20ºC.
OM
De dos etapas
El aire se comprime en dos etapas; en la primera (de baja presión BP) se comprime hasta una
presión intermedia (pi = 2 a 3 Kg/cm2), y en la segunda (de alta presión AP), se comprime a una
presión de 5 a 20 Kg/cm2.
Estos compresores son los más empleados en la industria cubriendo sus caudales una extensa
gama de necesidades.
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.C
Pueden ser refrigerados por aire o por agua, es decir, el refrigerador intermedio (entre etapas)
puede actuar a base de un ventilador o una corriente de agua a través del mismo. El aire
comprimido sale a unos 130ºC con una variación de ± 15ºC.
Compresores de simple efecto, de dos etapas de compresión, refrigerados por aire.
A partir de 2 m3/min. y hasta 10 m3/min., siendo su rendimiento del orden de 7,6 a 8,5 CV/m3/min.
De varias etapas
Un pistón es de etapas múltiples, si tiene elementos superpuestos de diámetros diferentes, que se
desplazan en cilindros concéntricos.
El pistón de mayor diámetro puede trabajar en simple o doble efecto, no así los otros pistones,
que lo harán en simple efecto.
Esta disposición es muy utilizada por los compresores de alta presión, Fig. I.1c.
FI
El aire comprimido en varias etapas puede alcanzar presiones muy elevadas para uso en
aplicaciones especiales.
En la siguiente tabla se muestran los valores típicos de presión obtenidos en función de las etapas
de compresión utilizadas:
De pistón diferencial.
El pistón diferencial es aquel que trabaja a doble efecto, pero con diámetros diferentes, para
conseguir la compresión en dos etapas, Fi. I.1d.
Su utilidad viene limitada y dada la posición de los pistones está en desuso.
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2. Compresor de lóbulos (Roots)
Se conocen como compresores de doble rotor o de doble impulsor aquellos que trabajan con dos
rotores acoplados, montados sobre ejes paralelos, para una misma etapa de compresión. Una
máquina de este tipo muy difundida es el compresor de lóbulos conocido como "Roots", de gran
aplicación como “sobre alimentador” de los motores diesel o sopladores de gases a presión
moderada.
OM
Los rotores, por lo general, de dos o tres lóbulos están conectados mediante engranajes
exteriores. El gas que entra al soplador queda atrapado entre los lóbulos y la carcasa; con el
movimiento de los rotores de la máquina, por donde sale, no pueden regresar debido al estrecho
juego existente entre los lóbulos que se desplazan por el lado interno.
Estos compresores no poseen válvulas y no utilizan lubricante.
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La presión efectiva de compresión susceptible de ser alcanzada por etapa es del orden de 1,8
kg/cm2, para presiones mayores son poco económicos a pesar de tener más de una etapa.
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Fig. 9
3. Compresor a paletas
Este tipo de compresor consiste básicamente de una cavidad cilíndrica dentro de la cual está
ubicado en forma excéntrica un rotor con ranuras profundas. Unas paletas rectangulares se
deslizan libremente dentro de las ranuras de forma que al girar el rotor la fuerza centrífuga
empuja las paletas contra la pared del cilindro. El gas al entrar, es atrapado en los espacios que
forman las paletas y la pared de la cavidad cilíndrica es comprimida al disminuir el volumen de
estos espacios durante la rotación.
Se trata de una máquina de árbol único montado excéntricamente en el cilindro, lo que da una
cámara de trabajo en forma de HOZ.
Con un solo escalón se pueden alcanzar presiones del orden de los 4 Kg/cm2 y con dos escalones 8
Kg/cm2 en forma más económica.
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Fig. 10
4. Compresores de tornillo
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El caudal puede llegar a los 60.000 m3/h
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El principio de compresión de un compresor de desplazamiento rotativo en forma de tornillo se
desarrolló durante la década de 1930, cuando surgió la necesidad de un compresor rotativo que
ofreciera un caudal elevado y estable en condiciones de presión variables.
Fig. 11
FI
Las piezas principales del elemento de tornillo son los rotores macho y hembra, que giran en
direcciones opuestas mientras disminuye el volumen entre ellos y la carcasa.
El compresor de tornillo no tiene fuerzas mecánicas que ocasionen desequilibrio. Esto significa que
puede funcionar con una alta velocidad del eje y puede combinar un gran caudal con unas
pequeñas dimensiones exteriores. La fuerza axial, que depende de la diferencia de presión entre la
entrada y la salida, debe ser absorbida por los rodamientos.
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Fig. 12 Compresor de tornillo Atlas Copco – modelo GX7
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Principio de funcionamiento
Fig. 13
La compresión por rotores paralelos puede producirse también en el sentido axial con el uso de
lóbulos en espira a la manera de un tornillo sin fin. Acoplando dos rotores de este tipo, uno
convexo y otro cóncavo que engranan mutuamente, y haciéndolos girar en sentidos opuestos se
logra desplazar el gas, paralelamente a los dos ejes, entre los lóbulos y la carcasa.
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Fig. 14
El aire entra por una de las extremidades de los cilindros, es transportado axialmente y abandona
el compresor por la otra extremidad. Las revoluciones sucesivas de los lóbulos reducen
progresivamente el volumen de gas atrapado y por consiguiente su presión, el gas así comprimido
es forzado axialmente por la rotación de los lóbulos helicoidales hasta 1ª descarga.
FI
La relación de compresión de un solo escalón se sitúa normalmente entre 2,5 y 3,5 para caudales
del orden 900 a 15.000 m3/h. La velocidad de rotación es elevada, del orden de 5.000 a 25.000
rpm.
Compresor de tornillo exento de aceite
Los primeros compresores de tornillo tenían un perfil simétrico y no usaban ningún líquido de
refrigeración en la cámara de compresión. Pasaron a llamarse compresores de tornillo exentos de
aceite o secos. Como los rotores no hacen contacto entre sí ni con la carcasa, no se necesita
lubricación dentro de la cámara de compresión. Por consiguiente, el aire comprimido está
completamente libre de aceite. Los rotores y la carcasa se fabrican con gran precisión para
minimizar las fugas desde el lado de presión al lado de aspiración. La relación de presiones
integrada está limitada por la diferencia de temperatura entre la aspiración y la descarga. Este es
el motivo por el que los compresores de tornillo exentos de aceite se fabrican frecuentemente con
varias etapas y refrigeración intermedia para lograr mayores presiones.
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Fig. 15
Compresores de tornillo con inyección de líquido
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En los compresores de tornillo con inyección de líquido, se inyecta un líquido en la cámara de
compresión y a veces en los rodamientos del compresor. Su función es enfriar y lubricar las piezas
móviles del elemento compresor, enfriar el aire que se comprime internamente y reducir las fugas
de retorno a la aspiración. En la actualidad, el aceite es el líquido más habitual debido a sus buenas
propiedades de lubricación y sellado, aunque también se emplean otros líquidos, como agua o
polímeros. Es posible fabricar elementos compresores de tornillo con inyección de líquido para
una alta relación de presiones, siendo suficiente una etapa de compresión para presiones de hasta
14 kg/cm2, e incluso 17 kg/cm2, aunque a costa de reducir la eficiencia energética.
Fig. 16
5. Compresor centrífugo
Un compresor centrífugo se caracteriza por su flujo de descarga radial. El aire entra por el centro
de un rodete dotado de álabes radiales y es impulsado hacia su perímetro por las fuerzas
centrífugas. El movimiento radial del aire genera, simultáneamente, un aumento de la presión y
energía cinética.
Antes de ser dirigido al centro del rodete de la siguiente etapa de compresión, el aire pasa por un
difusor y una voluta o carcasa espiral donde la energía cinética se convierte en presión.
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Cada etapa asume una parte del aumento global de la presión del compresor. En la maquinaria
industrial, la relación de presiones máxima de una etapa de compresor centrífugo no suele ser
mayor de 3.
Unas relaciones de presión más elevadas reducen la eficiencia de la etapa. Las unidades de baja
presión con una etapa se usan, por ejemplo, en plantas de tratamiento de aguas residuales. Las
unidades de varias etapas permiten la posibilidad de refrigeración intermedia para reducir la
potencia requerida.
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Las etapas se pueden disponer, en serie, en un mismo eje de baja velocidad. Este concepto se
utiliza a menudo en las industrias de gas, petróleo y proceso. La relación de presiones por etapa es
baja, pero se emplea un gran número de etapas y/o varios compresores en serie para obtener la
presión de salida deseada. Para aplicaciones de compresión de aire, se integra una caja de
engranajes de alta velocidad en las etapas del compre-sor para hacer girar los rodetes en piñones
de alta velocidad.
Fig. 17 Compresor centrifugo de 3 etapas
El rodete puede tener un diseño abierto o cerrado. El abierto es el más utilizado para aplicaciones
de aire de alta velocidad. El rodete se fabrica normalmente de una aleación especial de acero
inoxidable o aluminio. La velocidad del eje del rodete es muy alta comparada con la de otros tipos
de compresor. Son habituales velocidades de 15.000-100.000 rpm. Esto significa que la sujeción
del eje del compresor de alta velocidad se realiza con cojinetes de fricción lisos y film de aceite en
lugar de rodamientos. Alternativamente, se pueden usar rodamientos de película de aire o
rodamientos magnéticos activos para obtener una máquina completamente exenta de aceite.
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Se montan dos rodetes en cada extremo de un eje común para compensar las cargas axiales
producidas por las diferencias de presión. Normalmente se usan 2 ó 3 etapas con refrigeradores
intermedios para aplicaciones de aire comprimido estándar.
En una configuración moderna del compresor de aire centrífugo, se usan motores eléctricos de
ultra alta velocidad para accionar los rodetes directamente.
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Con esta tecnología se crea un compresor compacto sin caja de engranajes ni el correspondiente
sistema de aceite de lubricación, obteniéndose así un diseño de compresor completamente
exento de aceite.
Fig. 18 Compresor centrifugo acoplado directamente a un motor electrico
FI
Cada compresor centrífugo se debe sellar de forma adecuada para reducir las fugas entre el eje y
la carcasa. Se emplean muchos tipos de sellos. Los más avanzados se utilizan en compresores de
alta velocidad concebidos para altas presiones. Los tipos más comunes son los sellos de laberinto,
los sellos de anillo o sellos de holgura controlada (normalmente sellos de grafito) y sellos
mecánicos.
6. Compresor axial
Los compresores axiales tienen un flujo axial. El aire circula paralelo al eje del compresor a través
de hileras de álabes giratorios y estacionarios. De esta manera, la velocidad del aire aumenta
gradualmente al mismo tiempo que los álabes estacionarios convierten la energía cinética en
presión. Normalmente, el compresor lleva incorporado un tambor de equilibrio para contrarrestar
el empuje axial. Los compresores axiales suelen ser más pequeños y ligeros que sus equivalentes
centrífugos y funcionan por lo general a mayores velocidades. Se utilizan para elevados caudales
constantes, a una presión relativamente moderada, por ejemplo, en sistemas de ventilación.
Dada su alta velocidad de rotación, se pueden acoplar perfectamente a turbinas de gas para
generación de electricidad y propulsión de aeronaves.
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Fig. 19 Compresor axial
Potencia y rendimientos de un compresor
La potencia absorbida en el acoplamiento del compresor es superior a la que sería absorbida
teóricamente en una compresión isotérmica por una máquina ideal (sin rozamiento).
 m3 kg kcal   kcal 
Potencia Teórica: NT  VD   i  
 3


 h m kg   h 
 m3 kg kcal   kcal 
Potencia Real: NR  VA   i  
 3


 h m kg   h 
Donde:
FI
VA  VD  V   es el volumen real succionado,
VD  es el volumen teórico y
V   es el volumen de espacio muerto (ciclo)
Δi = i2 – i1 es la diferencia de entalpia del aire
La potencia real del compresor es siempre menor que la teórica debido a que:


En cada carrera de aspiración del pistón, el valor del volumen de gas succionado
proveniente de la línea de aspiración (Va) (medido en las condiciones allí reinantes), es
menor que el desplazado (VD) por dicho pistón; la razón principal de este menor volumen
aspirado estriba en el espacio muerto y en que la densidad (ρ) del vapor que llena el
cilindro al final de la carrera de aspiración, es menor que la del vapor situado en la línea de
succión.
En la carrera de compresión se presentan fugas de vapor (válvulas, segmentos, etc.), con
lo que la cantidad de fluido efectivamente impulsada por el compresor será todavía
menor.
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El consumo del compresor estará dado en función de su rendimiento global ɳglobal que es el
producto de todos los rendimientos; estos son: el rendimiento eléctrico ɳelect. que generalmente
viene dado por el fabricante y está asociado al motor eléctrico que impulsa al compresor. El
rendimiento mecánico ɳmec. que es una medida de los rozamientos mecánicos del compresor,
pistón-cilindro, cabeza y pie de biela, etc.
El rendimiento volumétrico ɳvol. que representa el volumen real aspirado comparado con el
OM
volumen que teóricamente podría aspirar. El rendimiento térmico ɳtermico que es la
comparación de la compresión real (politrópica) comparada con la compresión teórica ideal
(isotérmica).
Rendimiento volumétrico (ɳvol.)
LA
DD
.C
Es la relación entre el caudal real aspirado por el compresor y el caudal teórico dado por la
cilindrada:
𝑛𝑣𝑜𝑙. =
𝑉𝐴
𝑉𝐷
Factores que influyen en el rendimiento volumétrico de un compresor
FI
El ciclo teórico de trabajo de un compresor ideal se entiende fácilmente mediante el estudio de un
compresor monofásico, de pistón, funcionando sin pérdidas y que el gas comprimido sea perfecto.
Fig. 20 Ciclo de trabajo teórico de un compresor ideal, sin pérdidas, con espacio muerto nulo y con un gas
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.
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OM
El volumen de desplazamiento de un compresor es el volumen barrido en la unidad de tiempo por
la cara o caras del pistón de la primera etapa, en el caso de doble efecto, hay que tener en cuenta
el vástago del pistón.
LA
DD
.C
Fig. 21 Volumen barrido en un compresor alternativo
El volumen desplazado (VD) por un compresor es el volumen de la cilindrada de la máquina
multiplicado por el número de revoluciones de la misma. En el caso de ser un compresor de más
de una etapa, el volumen engendrado viene indicado por la primera etapa.
El espacio muerto o volumen nocivo (Vʹ) corresponde al volumen residual entre el pistón y el
fondo del cilindro y las lumbreras de las válvulas, cuando el pistón está en su punto muerto,
estimándose entre un 3% a 10% de la carrera, de acuerdo con el modelo de compresor.
Esto provoca un retraso en la aspiración debido a que el aire almacenado en el volumen residual a
la presión (p2) debe expandirse hasta la presión (p1) antes de permitir la entrada de aire nuevo en
el cilindro.
FI
Sin embargo, su efecto es doble en razón a que, si por un lado disminuye el volumen de
aspiración, por otro ahorra energía, ya que la expansión produce un efecto motor sobre el pistón;
se puede considerar que ambos efectos se compensan bajo el punto de vista energético.
Si el compresor no tuviese espacio muerto, el volumen residual entre el punto muerto superior
(PMS) y las válvulas de aspiración y escape sería (0); esta salvedad se hace en virtud de que la
compresión del aire no se puede llevar, por razones físicas, hasta un volumen nulo, existiendo en
el extremo de la carrera del compresor un espacio muerto, que se corresponde con el menor
volumen ocupado por el gas en el proceso de compresión.
La causa principal de la disminución del volumen de vapor efectivamente desplazado por un
compresor es el espacio muerto o volumen nocivo.
En el ciclo interno teórico del compresor, Fig. 22, al término de la compresión la presión es (p2); el
vapor comprimido pasa entonces a la línea de escape, recta (2-3), pero en el punto (3), punto
muerto superior, queda todavía un volumen (V0), espacio muerto.
En la posterior carrera de retroceso (aspiración), este volumen (V0) de gas se expansiona hasta el
punto (4), presión (pa), y es solamente entonces, al ser alcanzada la presión de la aspiración,
cuando comienza la admisión de gas dentro del cilindro.
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DD
.C
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Fig. 22 Diagrama de un compresor alternativo ideal
Retraso en la apertura de la válvula de admisión
Hasta que la presión dentro del cilindro sea (pa - Δpa) (para vencer la tensión del resorte de la
válvula de admisión) no se abrirá ésta; por lo tanto, el gas al entrar en el cilindro sufrirá una
expansión (Δpa) (laminación) a su paso por el orificio de la válvula de admisión.
Esto quiere decir que mientras dura la aspiración la presión del gas dentro del cilindro es menor
que la reinante en la línea de aspiración.
La consecuencia de este retraso en la apertura de la válvula de admisión es que el volumen
admitido dentro del cilindro es menor, pues parte de la carrera teórica de admisión del pistón se
emplea en expandir el gas desde (pa) hasta (pa - Δpa).
FI
Retraso en la apertura de la válvula de escape
Por idéntico motivo, para que pueda salir el gas en el escape, deberá estar dentro del cilindro a
una presión, (pe - Δpe), ligeramente superior a la (pe) reinante en la línea de escape.
En el supuesto de que en el punto muerto superior (PMS) la presión dentro del espacio muerto no
tenga tiempo material de igualarse a la (pe) de la línea de escape, el recorrido del pistón en el
retroceso para la expansión del gas del espacio muerto, no ya desde (pe) hasta, (pa - Δpa), sino
desde, (pe - Δpe), hasta (pa - Δpa), deberá ser mayor, disminuyendo también por este concepto
la carrera útil de admisión del pistón, y por lo tanto el volumen realmente admitido en el cilindro.
Cabe señalar que los efectos debidos a los retrasos de apertura en las dos válvulas no están
influenciados por el valor de la relación de compresión.
Calentamiento del cilindro
El gas admitido en el cilindro en la carrera de admisión se calienta al ponerse en contacto con las
paredes interiores del cilindro, que están a temperatura más elevada, (y también por el hecho de
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que el gas comprimido no es perfecto, influye el rozamiento), disminuyendo su densidad, o lo que
es lo mismo, aumentando su volumen específico.
Por esta razón, al final de la carrera de admisión el peso total de gas admitido en el punto muerto
inferior (PMI) será menor, o lo que es lo mismo, el volumen aspirado, medido en las condiciones
reinantes en la línea de aspiración, será menor que el barrido por el pistón en su carrera útil de
admisión.
OM
Cabe señalar que este calentamiento del cilindro es función de la relación de compresión y
aumenta al elevarse ésta. La pared del cilindro se calienta por doble motivo: por contacto directo
con el gas a alta temperatura y por rozamiento mecánico entre pistón y cilindro. Es una pérdida
difícil de medir, por la falta de un instrumento medidor de temperatura sin inercia.
Falta de estanqueidad de válvulas y segmentos (aros de pistón).
LA
DD
.C
Las fugas hacia el exterior que se producen en un compresor a pistón, por el mismo y por los aros,
y eventualmente en el sello de la varilla del pistón, son inferiores al 0,5% de manera que el
rendimiento volumétrico es de aproximadamente el 99,5 %.
Por este concepto, el volumen que realmente llega a impulsar el compresor es todavía menor; la
falta de estanqueidad aumenta igualmente al elevarse la relación de compresión.
Pérdidas debidas a la estrangulación por válvulas
Como regla general, se procura construir los compresores de manera que no se produzcan
pérdidas notables por estrangulación. Se procura que las velocidades de pasaje no sobrepasen las
velocidades medias de 30 a 50 m/seg. Se pueden hablar del orden del 2% la pérdida.
Rendimiento mecánico
Se define el rendimiento mecánico del compresor como la relación:
𝑛𝑚𝑒𝑐. =
𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛 𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟
𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟
FI
Este rendimiento es una medida de los rozamientos mecánicos del compresor, pistón cilindro,
cabeza y pie de biela, etc.
Rendimiento eléctrico del motor
Se define el rendimiento eléctrico del compresor como la relación:
𝑛𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡. =
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡.
Este rendimiento contabiliza las pérdidas que se producen en el motor eléctrico.
Rendimiento global
Es el cociente entre el trabajo absorbido por el compresor según el ciclo teórico y el trabajo
absorbido en el eje de este.
𝑛𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 =
𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟
𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟
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También se puede considerar como el producto de los rendimientos, indicado, mecánico y
eléctrico, de la forma:
𝑛𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 = 𝑛𝑖. × 𝑛𝑚𝑒𝑐. × 𝑛𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡.
OM
La eficiencia de la compresión es una medida de las pérdidas que resultan de la divergencia entre
el ciclo real o indicado y el ciclo teórico (isoentrópico) de compresión.
Estas pérdidas son debidas a que tanto el fluido como el compresor, no son ideales sino reales, es
decir con imperfecciones y limitaciones tales como:
a) Rozamiento interno a causa de no ser el fluido un gas perfecto y a causa también de las
turbulencias
b) Retraso en la apertura de las válvulas de admisión y escape
c) Efecto pared del cilindro
d) Compresión politrópica
LA
DD
.C
Los factores que determinan el valor del rendimiento de la compresión y del rendimiento
volumétrico real del compresor, son los mismos.
El diagrama del ciclo ideal de compresión se fija teóricamente y el del ciclo real de compresión se
obtiene en el banco de ensayos mediante un sensor introducido en el volumen muerto del
compresor, que transmite la presión reinante, que se registra en combinación con el movimiento
del pistón, dando lugar al diagrama (p,v) interno de la máquina.
FI
Para una estimación aproximada existen gráficos como el de la Fig. 23, y para órdenes de
magnitud aproximados la Fig. 24.
Fig. 23 Rendimientos volumétricos reales e ideales de un compresor
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.C
DIAGRAMA INDICADO DEL COMPRESOR REAL
OM
Fig. 24 Valores aproximados de rendimientos
FI
Fig. 25 Diagrama teórico y real de trabajo de un compresor de una etapa
Las áreas A, B, C y D que diferencian el ciclo real del ideal vienen motivadas por:
A) La refrigeración, permite una aproximación del ciclo a una transformación isotérmica.
Por falta de refrigeración, o por un calentamiento excesivo a causa de rozamientos, dicha área
puede desaparecer.
B) El trabajo necesario para efectuar la descarga del cilindro.
C) El trabajo que el volumen perjudicial (muerto) no devuelve al expandirse el gas residual, y que
es absorbido en la compresión.
D) El trabajo perdido en el ciclo de aspiración.
Las áreas rayadas B, C, D expresan las diferencias de trabajo efectuado en cada etapa del ciclo,
entre el diagrama teórico y el diagrama real.
El diagrama estudiado corresponde a un compresor de una sola etapa, cuyo ciclo de compresión
se realiza rápidamente, sin dar tiempo a que el calor generado en la compresión del aire pueda
disiparse a un refrigerante o intercambiador de calor, pudiéndose decir que el aire durante su
compresión sigue una evolución adiabática.
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Si el área (1-2-3-4-1) del diagrama indicado ideal representa el trabajo teórico de compresión, el
área comprendida dentro del diagrama indicado real (sombreado), representará el trabajo real
necesario para efectuar la compresión real; para obtener el valor del trabajo absorbido en el eje
del compresor, a este trabajo hay que sumarle lo perdido en vencer los rozamientos mecánicos del
compresor.
OM
- Al final de la carrera de admisión, punto muerto inferior (1), la velocidad del pistón disminuye
hasta cero, igualándose las presiones del exterior (pext) y del interior del cilindro (pa) (aunque por
la velocidad del pistón no exista tiempo material a que éste equilibrio se establezca); la válvula
de admisión está cerrada, así como la de descarga.
- Al final de la carrera de escape, punto muerto superior (3), la velocidad del pistón disminuye
igualmente hasta cero, tendiendo la presión dentro del cilindro a regresar al valor de (pe); la
válvula de escape está cerrada, así como la de admisión.
LA
DD
.C
- Para que la válvula de admisión abra durante la carrera de retroceso, es necesario que la presión
reinante en el interior del cilindro sea inferior a la (pa) del vapor de admisión; esto ocurre por
ejemplo en el punto (4'), en donde, (p4´ = pa - Δpa), Fig. 25.
En el instante de la apertura, la válvula se abre de golpe, tendiendo luego a cerrarse algo (supuesta
eliminada la posibilidad real de que la válvula comience a vibrar, abriéndose-cerrándoseabriéndose, etc...), con lo que la presión dentro del cilindro aún bajará algo más, hasta el punto
(4") por ejemplo; por lo tanto, (V1 - V4´), será el volumen ocupado al final de la admisión por el gas
aspirado al interior del cilindro, medido a la presión de aspiración (pa), pero a una temperatura
superior, debido al efecto pared del cilindro, que se podría interpretar como que el cilindro
permanece durante la compresión a una temperatura media, mientras que el fluido al comienzo
de la compresión estará por debajo de ella y al final estará por encima, por lo que se puede
considerar representado por dos calores, uno entrante y otro saliente.
- En la carrera de compresión, para que la válvula de escape se abra, es necesario que la presión
reinante dentro del cilindro sea superior a la (pe) de la línea de descarga; esto ocurre por ejemplo
en el punto (2'), en donde: (p2 = pe + Δp), Fig. 25.
FI
En el instante de la apertura, ésta se producirá igualmente de golpe, volviendo a cerrarse y
originando que la presión en el interior del cilindro suba algo más, hasta (2") por ejemplo; en la
carrera de expulsión al estar el vapor a mayor temperatura que la pared, ésta absorberá el calor
del fluido.
- En los procesos de compresión y expansión, el sentido de la transmisión del calor entre el vapor y
las paredes del cilindro se invierte; en todo este razonamiento se ha supuesto que el compresor
real carece de camisa de agua.
Durante la última parte del proceso de expansión y en la inicial del de compresión, hemos visto
que la temperatura de la pared era mayor que la del gas, pasando por lo tanto calor de aquélla a
éste; en la parte inicial del proceso de expansión y la final del de compresión, la temperatura del
gas es superior a la de la pared, por lo que el calor pasará de aquél a ésta; esto se puede
interpretar como si el gas funcionase con un coeficiente politrópico variable.
- Si se pretende representar todo esto en un diagrama termodinámico, resulta más sencillo y
correcto definir los estados: inicial y final (1 y 2), justo antes y después del compresor, como
puntos de equilibrio termodinámico.
Así en el punto (1), antes de la válvula de admisión, las condiciones del gas son las existentes y
conocidas de la línea de admisión.
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DD
.C
OM
En el punto (2) (justo después de la válvula de escape a través de la cual el gas se habrá laminado,
expandiéndose isoentálpicamente desde una presión comprendida entre, (pe + Δpe), y (pe), a
otra que es la reinante (pe) en la línea de descarga; la presión es (pe) pero la temperatura, (valor
que junto a la (pe) permite determinar la posición del punto (2) en el diagrama termodinámico
correspondiente), será función de todas las aportaciones y cesiones calóricas, así como de las dos
laminaciones que sufre el gas a lo largo de todo el ciclo interno del compresor real.
Supuesto fijado correctamente el punto (2), midiendo por ejemplo su temperatura (T2), de la
transformación (1-2) sólo conocemos sus puntos inicial y final en el diagrama termodinámico, no
pudiendo ser considerada como una politrópica, como hasta ahora se ha venido haciendo, pues
como se ha descrito en el ciclo real indicado, tienen lugar operaciones que termodinámicamente
no tienen sentido incluirlas en una politrópica.
Lo que sí es cierto, supuesto correctamente fijado el punto (2), es que, (i2 - i1), representa el
trabajo neto realizado por el compresor real y que este valor coincide con el área que el diagrama
indicado real proporciona, por lo que se tiene otra forma diferente de determinar el punto (2),
mediante el diagrama indicado real referido a 1 Kg. de gas en la admisión y escape, calculando su
superficie (a), por lo que: i2 - i1 = a » i2 = a + i1
La camisa de agua de refrigeración en un cilindro hace que (T2) sea menor, disminuyendo el valor
de, (i2 - i1). No es correcto representar en el diagrama termodinámico puntos tales como el (2"),
(2"'), etc., que representan la presión de una parte del gas comprimido, y no la del resto que ya ha
salido y estará por lo tanto a la presión de escape (pe).
COMPRESIÓN EN ETAPAS
FI
El grado de compresión (εc) es el cociente entre la presión absoluta de descarga (p2) y la presión
absoluta de admisión o entrada (p1). Puede tener cualquier valor, pero en la práctica, en
compresores de una sola etapa no suele pasarse de relaciones de compresión de 3,5 a 4, ya que
relaciones de compresión más altas necesitan un compresor voluminoso que encarece el equipo.
Además, como toda compresión lleva consigo un aumento de temperatura de los gases que se
procesan, existe el riesgo de que éstos salgan excesivamente calientes, lo que perjudicaría tanto el
equipo mecánico como la lubricación de la máquina.
Cuando la relación de compresión es muy grande, se aconseja el empleo de compresores de varias
etapas escalonadas con o sin refrigeración intermedia, cada una de las cuales tiene una relación de
compresión del orden de 3,5 a 4.
Según sea el nº de etapas, la relación de compresión (εc) en cada etapa es:
𝑛 𝑝𝑚𝑎𝑥
𝜀𝑐 = √
𝑝𝑚𝑖𝑛
siendo (n) el número de etapas, que permite disponer de una relación de compresión ideal
idéntica en cada etapa.
En un compresor de dos o más etapas se puede establecer una relación de compresión total, que
es la relación entre la presión absoluta final en la descarga de la última etapa y la presión absoluta
inicial en la aspiración de la primera etapa; también se puede establecer una relación de
compresión parcial de cada etapa, que es la relación entre la presión absoluta final en la descarga
de aquella etapa y la presión absoluta en la aspiración de la misma etapa.
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DIAGRAMA DE UN COMPRESOR DE DOS ETAPAS
En la compresión en etapas, se puede refrigerar el aire entre cada una de ellas mediante un
sistema de refrigeración intermedio (con un agente enfriador exterior que puede ser aire o agua),
cuya acción principal es la de dispersar o disipar el calor producido durante la compresión.
La refrigeración intermedia perfecta se consigue cuando la temperatura del aire que sale del
refrigerador intermedio es igual a la temperatura del aire a la entrada en la aspiración del
compresor.
OM
Cuando las relaciones de compresión de todas las etapas sean iguales, se logra un consumo de
potencia mínimo.
Aumentando el número de etapas, la compresión se acercará a la isoterma del aire inicial, que
es la transformación de compresión que requiere menos trabajo.
La compresión en dos o más etapas permite mantener la temperatura de los cilindros de trabajo
entre límites razonables; temperaturas anormalmente altas llevan consigo el riesgo de explosiones
y carbonización del aceite lubricante y problemas en las válvulas.
FI
LA
DD
.C
Los compresores más usuales en la industria tienen refrigeración intermedia, y son de dos
etapas.
Fig. 26 Diagrama de un compresor de dos etapas
El diagrama indicado en la Fig. 26 corresponde a un compresor de dos etapas, y en ella los
diagramas independientes de cada cilindro se consideran como si fueran de un compresor de una
etapa.
La superposición de los diagramas de trabajo correspondientes al cilindro de baja presión, que es
el que comprime el aire aspirado hasta una presión aproximada de 2 a 3 bar, y al de alta presión,
que comprime el aire recibido hasta la presión de trabajo o descarga, indica que la energía que
requiere el conjunto de cilindros es muy inferior a la que exigiría si toda la compresión se hubiera
realizado de una sola vez.
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El área rayada, (Presión intermedia), corresponde a un trabajo perdido que se realiza dos veces
sobre el aire, en la expulsión del cilindro de baja presión y en la compresión del cilindro de alta
presión.
De la observación de la Fig. 26 se deduce que, para compresores de una etapa, o de dos etapas, de
simple efecto, en la primera fase de compresión, la curva de compresión está siempre
comprendida entre la isotérmica y la adiabática, pero aproximándose más a la segunda que a la
primera, lo que refleja un proceso politrópico.
REFRIGERACIÓN
OM
Para un compresor de dos etapas, el trabajo teórico efectuado es mínimo cuando los dos
cilindros logran idéntica cantidad de trabajo.
LA
DD
.C
Durante la compresión se engendra calor, y si no se elimina, se eleva la temperatura del aire a
medida que se va 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. Por lo tanto, los
compresores se refrigeran para evitar este efecto y 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.
La potencia mínima necesaria en la compresión es la correspondiente a una compresión
isotérmica, que es irrealizable en la práctica, pero que puede aproximarse fraccionando la
compresión en varias etapas, refrigerando el gas entre cada etapa, de forma que el conjunto de
la compresión se aproxime a la isotérmica.
Ampliar el número de etapas incrementa la pérdida de carga total en las válvulas, refrigeradores y
separadores, al tiempo que el precio del compresor aumenta con el número de etapas.
El ciclo real de un compresor en el cual se disipa parcialmente el calor generado en la compresión
se acerca más a una transformación politrópica.
FI
Los fabricantes de compresores insisten en que, para conseguir un rendimiento óptimo, el aire
aspirado por el compresor debe ser tan frío como sea posible, ya que la temperatura final será
tanto más baja cuanto más lo sea la inicial.
REFRIGERACIÓN INTERMEDIA.
Para elevadas relaciones de compresión (superior a 3,5) hay que acudir a la compresión por
etapas.
La principal ventaja de este tipo de compresión es que permite una refrigeración del fluido (vapor
o gas) entre etapa y etapa, que se traduce en un ahorro de la energía a aportar para mover el
compresor, tomando la precaución de no refrigerar en exceso, ya que pudiera ser que el ahorro de
energía de compresión fuese inferior al de los gastos de refrigeración.
Como el paso del gas por el sistema de refrigeración supone una pérdida de carga, la presión del
gas que llega a la admisión de la siguiente etapa será inferior a la de salida de la etapa anterior, lo
cual supone una pérdida de energía extra que habrá que añadir.
Un dato importante para tener en cuenta es que el by-pass, entre succión y descarga, tiene que
estar refrigerado, ya que de no ser así entraría gas caliente en la etapa de admisión el cual al ser
comprimido se recalentaría y se podría llegar a la rotura del compresor por un calentamiento
excesivo.
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Fig. 27
El agua que refrigera el ciclo de compresión extrae aproximadamente entre el 15% y 40% del calor
total de compresión, y la refrigeración intermedia en los compresores de dos etapas elimina
alrededor del 30% y 40% del calor, por lo que se recomienda una temperatura de entrada para el
agua de refrigeración entre 5°C y 10°C superior a la entrada de aire, saliendo del compresor entre
40°C y 50°C.
Tratamiento del aire comprimido
FI
El aire se puede considerar una mezcla de aire seco y vapor de agua. Cuando contiene vapor de
agua, se denomina aire húmedo. Los extremos son el aire completamente seco y el aire
completamente saturado. La cantidad de vapor de agua máxima que el aire puede contener
aumenta con la temperatura.
La humedad relativa, expresada en porcentaje, indica el grado de saturación del aire con vapor de
agua para una temperatura dada.
El punto de rocío es la temperatura a la cual el aire se satura con vapor de agua. Posteriormente,
si la temperatura desciende, se condensa el agua. El punto de rocío atmosférico es la temperatura
a la cual el vapor de agua comienza a condensarse a la presión atmosférica. El punto de rocío a
presión es la temperatura equivalente con una presión superior.
1. SECADO DEL AIRE COMPRIMIDO
El aire atmosférico contiene vapor de agua, en mayor cantidad a altas temperaturas. Cuando el
aire se comprime, aumenta la concentración de agua.
Para evitar problemas y perturbaciones debido a la precipitación de agua en las tuberías y en los
equipos conectados, el aire comprimido se debe secar.
Para describir el contenido de agua en el aire comprimido se emplea el término “punto de rocío a
presión” (PRP). Se trata de la temperatura a la que el vapor de agua comienza a condensarse. Un
punto de rocío bajo indica un contenido pequeño de vapor de agua en el aire comprimido.
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Es importante recordar que el punto de rocío atmosférico no se puede comparar con el PRP al
cotejar secadores diferentes. Por ejemplo, un PRP de +2°C a 7 bar equivale a –23°C a presión
atmosférica.
Fig. 28
Desde el punto de vista económico, cuanto menor sea el punto de rocío necesario, mayores serán
los costos de inversión y operativos del secador.
Existen cinco técnicas para eliminar la humedad del aire comprimido: refrigeración, absorción,
adsorción, sobre compresión, membrana.
Refrigerador posterior (post enfriador)
FI
Es un intercambiador de calor que enfría el aire comprimido caliente que sale del compresor para
precipitar el agua que, en caso contrario, se condensaría en las tuberías. El fluido refrigerante que
utiliza puede ser agua o aire y está dotado generalmente de un separador de humedad con purga
automática. Se debe instalar inmediatamente después del compresor.
Un valor común de la temperatura del aire comprimido después de pasar por el refrigerador
posterior es aprox. 10°C por encima de la temperatura del refrigerante, pero puede variar en
función del tipo de refrigerador. Un refrigerador posterior elimina entre el 80 y 90% del agua de
condensación.
Estos equipos se emplean prácticamente en todas las instalaciones estacionarias. Los
compresores modernos llevan integrado un refrigerador posterior de forma estándar.
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Fig. 29
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Fig. 30
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Fig. 31
Fig. 32 Refrigerador posterior de Aire
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Secador frigorífico
Con este método, el aire comprimido se enfría, con lo cual se condensa una gran cantidad de
agua, que se puede separar. A continuación, el aire comprimido se vuelve a calentar hasta
aproximadamente la temperatura ambiente para que no se forme condensación en el exterior de
las tuberías. Estos equipos pueden usarse a diferentes presiones y no consumen aire comprimido
procesado.
OM
Los secadores frigoríficos se utilizan para puntos de rocío de entre +2°C y +10°C y tienen un límite
inferior, que es el punto de congelación del agua de condensado.
Existen distintos tipos de secadores frigoríficos en el mercado:
Secadores de expansión directa
LA
DD
.C
- Los secadores no cíclicos de velocidad fija funcionan de forma continua con independencia de la
carga variable.
- Los secadores cíclicos de velocidad fija se detienen cuando desciende la carga para ahorrar
energía y vuelven a arrancar cuando es necesario.
- Los secadores de velocidad variable ofrecen la máxima eficiencia energética. Funcionan de forma
continua, pero varían automáticamente la velocidad del compresor de refrigerante para adaptarlo
a las variaciones de carga.
Secadores de masa térmica
Cuentan con un intercambiador del calor que contiene normalmente una masa térmica liquida
para almacenar la energía fría.
Los secadores de masa térmica se detienen cuando hay poco aire o cuando desciende la carga,
para ahorrar energía.
Secadores scroll digitales
Tienen un compresor de refrigerante (tipo scroll) que carga o descarga en función de la demanda.
Son equipos de alta eficiencia energética.
FI
Principio de funcionamiento típico de los secadores de expansión directa
Fig. 33
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Circuito de aire
1 Intercambiador de calor aire/aire: el aire de entrada es enfriado por el aire seco y frio de salida.
2 Intercambiador de calor aire-refrigerante: el aire es enfriado por el circuito de refrigerante hasta
el punto de rocío deseado. El vapor de agua se condensa en gotitas de agua.
3 separador de agua integrado: la humedad es recogida y evacuada por un purgador electrónico.
-
Circuito de refrigerante
OM
El refrigerante elimina el calor del aire comprimido y lo enfría hasta el punto de rocío deseado.
4 Compresor de refrigerante: comprime el gas refrigerante a una presión mayor.
5 Dispositivo de regulación: la válvula de derivación de gas caliente regula el secador para evitar la
congelación en condiciones de baja carga.
6 Condensador de refrigerante: enfría el gas refrigerante para que cambie de gas a líquido.
LA
DD
.C
7 Filtro de refrigerante: protege al dispositivo de expansión contra partículas dañinas.
8 Válvula de expansión termostática: el proceso de expansión reduce la presión y continúa
enfriando el refrigerante.
FI
9 Separador de líquido: garantiza que solo pueda entrar en el compresor gas refrigerante.
Fig. 34 Secador frigorífico Atlas Copco – modelo FX13
A continuación, se muestra de manera esquemática cómo evoluciona la presión, la temperatura y
la humedad (relativa y específica) del aire en un circuito equipado con un compresor, un
refrigerador posterior y un secador frigorífico.
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DD
.C
OM
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Fig. 35
Secador por absorción
FI
El secado por absorción es un proceso químico que permite que el vapor de agua se fije al
material absorbente. El aire circula a través de un agente secante (yeso o cloruro de magnesio) el
cual reacciona químicamente con la humedad y forma una solución que es drenada al fondo del
depósito. Es de bajo costo y el PRP típico que se puede alcanzar es 5°C.
Fig. 36
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Secador por adsorción
FI
LA
DD
.C
OM
El principio general de funcionamiento de los secadores de adsorción es simple: el aire húmedo
fluye sobre un material higroscópico (silicagel, tamices moleculares, alúmina activada, etc.) y se
seca (proceso físico).
El intercambio de vapor de agua desde el aire comprimido húmedo al material higroscópico o
“desecante” hace que éste se sature gradualmente con el agua adsorbida. Por lo tanto, el
desecante se debe regenerar periódicamente para recuperar su capacidad de secado. Los
secadores de adsorción constan generalmente de dos torres de secado: la primera torre seca el
aire comprimido de entrada mientras la segunda se regenera. Cada depósito (“torre”) alterna su
función cuando el otro se ha regenerado por completo.
Fig. 37
Hay 4 formas diferentes de regenerar el desecante, y el método utilizado determina el tipo de
secador de adsorción. Los tipos más eficientes energéticamente suelen ser más complejos y por
tanto más caros.
1) Secadores de adsorción regenerados por purga (también denominados “secadores
regenerados en frío”).
Estos secadores son más adecuados para caudales de aire pequeños. El proceso de regeneración
se realiza con ayuda de aire comprimido expandido (“purgado”) y requiere alrededor del 15–20%
de la capacidad nominal del secador a una presión de trabajo de 7 bar(M).
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2) Secadores regenerados por purga caliente.
Estos secadores calientan el aire de purga expandido por medio de un calentador eléctrico y, de
esta forma, limitan el flujo de purga requerido a aproximadamente un 8%. Este tipo consume un
25% menos energía que los secadores regenerados en frío.
OM
3) Secadores regenerados por soplante.
El aire ambiente pasa sobre un calentador eléctrico y toma contacto con el desecante húmedo
para regenerarlo. Con este tipo de secador, no se utiliza aire comprimido para regenerar el
material desecante, con lo cual el consumo de energía es un 40% menor que con los secadores
regenerados en frío.
4) Secadores reactivados por el calor de la compresión (secadores “HOC”).
En los secadores HOC, el desecante se regenera mediante el calor disponible del compresor. En
lugar de evacuar el calor del aire comprimido en un refrigerador posterior, se emplea para
regenerar el desecante. Este tipo de secador puede proporcionar un PRP típico de -20°C sin añadir
nada de energía. También se puede obtener un PRP inferior añadiendo calentadores adicionales.
FI
LA
DD
.C
El PRP típico que se puede alcanzar es -40°C, lo cual hace que estos secadores sean idóneos para
proporcionar aire muy seco en aplicaciones críticas. Un secador de adsorción con una capacidad
de 1000 l/s requiere sólo 120 W.
Fig. 38 Secador por adsorción Atlas Copco – modelo AD480
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A la entrada del secador de adsorción se deberá disponer siempre de un sistema que garantice la
separación y el drenaje del agua condensada. Si el aire comprimido se ha producido usando
compresores lubricados con aceite, también se deberá instalar un filtro coalescente antes del
secador por adsorción. En la mayoría de los casos, es necesario un filtro de partículas a la salida de
este secador.
Sobrecompresión
OM
Es quizás el método más sencillo para secar el aire comprimido. El aire se comprime primero a una
presión mayor que la presión de trabajo prevista, lo cual hace que aumente la concentración de
vapor de agua. Después, el aire se enfría y como resultado se separa el agua. Finalmente, se
permite que el aire se expanda a la presión de trabajo y se obtiene un punto de rocío a presión
más bajo. Sin embargo, este método sólo resulta adecuado para caudales de aire muy pequeños
debido a su elevado consumo de energía.
Secador de membrana
LA
DD
.C
Los secadores de membrana utilizan el proceso de permeabilidad selectiva de los componentes de
miles de diminutas fibras huecas de polímero con un revestimiento interior. Estas fibras tienen
una permeabilidad selectiva para eliminar el vapor de agua.
A medida que el aire comprimido filtrado húmedo entra en el cilindro, el recubrimiento de la
membrana permite que el vapor de agua penetre y se deposite entre las fibras, mientras que el
aire seco continúa su trayectoria a casi la misma presión que el aire húmedo de entrada. El agua
separada se libera a la atmósfera.
Fig. 39
FI
La permeación o separación se produce por la diferencia de presión parcial de un gas entre el
interior y el exterior de la fibra hueca.
Los secadores de membrana son fáciles de usar, silenciosos, no tienen piezas móviles, consumen
poca energía y requieren un mantenimiento mínimo (principalmente, filtros aguas arriba del
secador).
Además de eliminar el agua, con una membrana también se pueden separar los componentes de
un gas, en función de las características del material de la fibra. La separación de los diferentes
componentes se logra por las diferencias de tamaño molecular y la solubilidad del gas en la
membrana.
2. Filtrado del aire comprimido
En el aire comprimido se encuentran tres contaminantes principales: partículas, aerosoles y
vapores.
Partículas: las partículas del sistema de aire comprimido son pequeños trozos de material sólido,
como polvo, suciedad o polen del aire ambiente, así como partículas metálicas sueltas que pueden
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provenir de la corrosión de las tuberías. En función de la sensibilidad de la aplicación o del
proceso, el contacto con las partículas puede ser perjudicial para el producto final y causar
retrasos en la producción y problemas de control de calidad.
OM
Aerosoles: los aerosoles consisten en pequeñas gotas de líquido que pueden encontrarse en el
sistema de aire comprimido, especialmente en aquellos que usan compresores con inyección de
aceite. Los aerosoles se crean a partir del lubricante, en este caso, el aceite utilizado en el
compresor, y pueden ser perjudiciales tanto para los productos como para las personas si no se
tratan adecuadamente.
Vapores: en el sistema de aire comprimido, los vapores están compuestos por lubricantes, así
como por cualquier otro líquido que se haya convertido en gas.
Para eliminar los contaminantes indicados anteriormente, se utilizan diferentes métodos de
filtrado para la extracción de partículas secas y la extracción de aerosoles y vapores.
LA
DD
.C
Extracción de partículas secas
Se utilizan tres mecanismos principales en los filtros de partículas, para eliminar partículas sólidas
de todos los tamaños del aire comprimido. De esta forma se logra que las partículas queden
adheridas a las fibras del elemento filtrante. Los mecanismos son:
FI
Impacto (para tamaño de partículas de 2 µm o superior): este principio establece que una
partícula que viaja a en un gas tiene su propio impulso. A mayor masa y/o velocidad, mayor
impulso. Ante cambios de dirección de la corriente de gas, la partícula tiende a seguir su dirección
inicial, por lo que impacta y queda atrapada entre las fibras del filtro. Cuanto más grandes sean las
partículas, más fácil será separarlas.
Fig. 40
Intercepción (para tamaño de partículas entre 0,2 y 2 µm): las partículas más pequeñas pueden
seguir la corriente de aire, pero si el diámetro de la partícula es mayor que los poros del material
de los filtros, va a quedar atrapadas en ellos.
Fig. 41
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Difusión (para tamaño de partículas inferiores a 0,2 µm): se produce cuando las partículas
pequeñas se mueven erráticamente por toda la superficie, en lugar de seguir la corriente de aire
comprimido.
LA
DD
.C
Fig. 42
A través del mecanismo de la difusión, las partículas más pequeñas, colisionan con las moléculas
de gas lo que retrasa su paso por el filtro. Como las partículas pueden moverse con libertad, es
mucho más fácil y más probable que sean interceptadas por los materiales del filtro y retiradas de
la corriente de aire.
Es importante mencionar que la capacidad de separación de partículas de un filtro es el resultado
de los diferentes procesos descritos (para los distintos tamaños de partícula). En realidad no hay
un filtro que sea efectivo para todo el rango de tamaño de partículas. Incluso el efecto de la
velocidad del flujo no es un factor decisivo para la capacidad de separación. En general, las
partículas entre 0,1 μm y 0,2 μm son los más difíciles de separar (tamaño de partícula más
penetrante).
FI
El siguiente grafico muestra la eficiencia de los filtros en función del tamaño de partículas:
Fig. 43
Extracción de aerosoles y vapores
Se emplean dos tipos de filtros: los filtros coalescentes, para eliminar gotas de líquidos (aerosoles)
así como algunas partículas, y los filtros de vapor que emplean la adsorción para eliminar los
vapores.
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Fig. 44
OM
Coalescencia: se utilizan filtros coalescentes para eliminar los aerosoles y las partículas, pero no
son eficaces para eliminar vapores. El proceso de coalescencia consiste en unir pequeñas gotas de
líquido para formar gotas grandes. Cuando las gotas aumentan de tamaño, caen del filtro en un
colector de humedad, lo que produce una corriente de aire comprimido más limpio y seco.
Adsorción: la adsorción es un proceso químico que se utiliza para eliminar lubricantes gaseosos o
vapores. El proceso consiste en que los vapores se pegan a la superficie de los materiales
(adsorbentes), como el carbón vegetal activado, que se utiliza comúnmente en los filtros debido a
su gran superficie y a la atracción por los vapores de aceite. Como los vapores de aceite cubren la
superficie del carbón vegetal activado a lo largo del tiempo, es esencial cambiarlo antes de que
esté completamente saturado. De no ser así, entraría aceite en el sistema de aire. También es
necesario utilizar un filtro de polvo tras el filtro de carbón vegetal activado, ya que podrían fugarse
pequeñas partículas de carbón y entrar en la corriente de aire.
Según la aplicación, existen diferentes tipos de filtros, los cuales se pueden clasificar de la
siguiente forma:
FI
Filtros de partículas: especialmente diseñados para retener partículas sólidas como óxido de la
tubería etc. los cuales son arrastrados por el aire a lo largo de las tuberías.
El parámetro característico de los filtros es la amplitud de los poros. Dicho parámetro determina el
tamaño mínimo de las partículas que pueden ser retenidas en el filtro.
Filtros de carbón activo: Dedicados a la eliminación de vapores y olores de aceite. No los eliminan
completamente, pero el residuo que dejan es muy pequeño. Como media 0,003 mg/m3.
Filtros coalescentes: están diseñados para eliminar las partículas submicronicas o nieblas de aceite
y agua con tamaños menores a 2 µm, logrando eficiencias del 99,97% en el rango de 0,3 a 0,6 µm y
reducciones de 20 ppm a tan solo 0,004 ppm, concentración admisible para la gran mayoría de las
aplicaciones neumáticas, resaltando que este proceso no puede llevarse a cabo con los filtros
comunes ya que estos capturan partículas con tamaños superiores a 2 µm.
Filtros catalizadores: Utilizados en sistemas de respiración humana para la eliminación del
Monóxido de Carbono (CO).
Filtros bactericidas: Muy utilizados en aplicaciones medicinales o en laboratorios. Se utilizan para
la eliminación de determinadas bacterias en el aire comprimido. Su mantenimiento requiere de
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una esterilización periódica. Dependiendo de cada fabricante, ésta se puede realizar con vapor o
por autoclave. Tienen una vida útil muy corta, determinada por el número máximo de
esterilizaciones admitidas.
También se clasifican los filtros por su ubicación en la red de aire comprimido, de la siguiente
forma:
- Pre-filtros.
OM
Son los primeros filtros que se instalan después de los compresores. Su principal misión es
eliminar las partículas gruesas que podrían ser aspiradas por el compresor. Son, en sí mismos, los
filtros protectores de la red de filtrado que se instale a continuación. La mayoría de los fabricantes
ofrecen estos filtros con capacidad coalescente, es decir, que pueden eliminar una pequeña
cantidad de agua y aceite al mismo tiempo que eliminan las partículas sólidas. Su capacidad de
filtrado suele ser superior a 1 µm (micro metros) y 1 mg/m3 de aceite.
LA
DD
.C
- Filtros intermedios.
Se instalan a continuación de los pre-filtros y su misión es proteger los distintos accesorios y
equipos que se instalan en la red de aire. Sus características se determinan en función de la
calidad de aire requerida.
- Filtros finales.
FI
En este grupo se incluyen todos los filtros específicos de protección del sistema antes de su uso
final.
Fig. 45 Diferentes tipos de filtros
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Partes constitutivas de un filtro
LA
DD
.C
OM
La estructura de los filtros es muy similar entre los distintos fabricantes. Cambia principalmente el
diseño interno, para mejorar las pérdidas de carga, la calidad de los materiales de los elementos
filtrantes, el grado de eficiencia y el diseño del propio elemento. A continuación, se describen las
partes principales de un filtro:
FI
Fig. 46
1. El cuerpo. Fabricado en distintos materiales, suele ser de fundición de aluminio o plástico.
Está dividido en dos partes, la superior incluye las conexiones a la tubería y la inferior es
desmontable para poder cambiar el elemento filtrante. Se pueden suministrar fabricados
en acero y en ejecuciones especiales de acero inoxidable.
2. Elemento filtrante. Es la parte clave del filtro. Según su diseño podrá ser usado para
diferentes trabajos. Es muy importante conocer su eficiencia, tamaño de partículas y su
capacidad.
3. Sistema de purga del condensado. En la imagen se puede observar una purga interna de
boya, que actúa por flotación sobre el condensado acumulado en la parte inferior. Se
pueden suministrar con otro tipo de purgas diferentes, como las electrónicas, capacitivas
o manuales.
4. Manómetro de presión diferencial. Este accesorio nos indicará el nivel de suciedad que
tiene el elemento filtrante. Existen muchos modelos diferentes, con contactos libres de
tensión para alarmas o transmisión del valor de la presión diferencial mediante una señal
de 4 a 20 mA (miliAmper).
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5. Sistema de conexión modular. Es muy útil cuando en una misma instalación se pueden
juntar dos tipos de filtros diferentes, porque facilita el montaje y reduce las pérdidas de
carga.
6. Indicador de nivel de líquido. son de gran utilidad para ver si el sistema de purga está
funcionando correctamente.
2. Acumulación, transporte y distribución.
OM
Depósito para aire comprimido
Después de su generación, el aire comprimido se almacena en un depósito o pulmón. Se utilizan
para compensar la diferencia entre el caudal de aire generado y el caudal de aire consumido.
FI
LA
DD
.C
Deben estar diseñados para soportar la presión de trabajo y además deben contar con los
elementos de seguridad necesarios (válvulas de seguridad) y medición de presión (manómetros).
Fig. 47
En cuanto al diseño, el aire debe ingresar de forma tal que permita separar el condensado, para
que el agua se recoja y separa en el fondo de este, para su posterior eliminación mediante una
purga.
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OM
Los pulmones en un circuito de aire comprimido tienen las siguientes funciones:
 Atenuar las corrientes pulsantes: el pulmón, se intercala entre la cámara del compresor y
el consumo, de manera de amortiguar los picos de presión y que no se produzcan daños en el/los
consumos. Fundamentalmente se usan en compresores alternativos a pistón.
Como regla general se recomienda que el tamaño del depósito deba de ser entre 10 y 50 veces el
volumen del cilindro de la última etapa del compresor. La finalidad es no transmitir la onda de
presión a los consumos.
 Separadores del condensado e impurezas: Se procura que los condensados no circulen
por las cañerías, ya que el compresor introduce aire con aceite lubricante y residuos en el pulmón.
Al introducirse el chorro de aire por abajo luego se traslada tangencialmente para que se produzca
un efecto ciclón o torbellino. Al tocar el aire, las paredes frías del pulmón los residuos se
condensan y caen, liberándose mediante una trampa; por lo cual es necesario la purga periódica
del pulmón. Durante el torbellino también se produce el enfriamiento del aire.
 Acumuladores de energía: Los compresores producen un caudal fijo, en el caso de un
consumo constante no sería necesario la utilización de un pulmón, pero cuando está vacío, el
pulmón retiene el aire sobrante.
Cálculo del volumen del depósito o pulmón para aire comprimido.
Para realizar el cálculo del volumen del depósito se realiza un estudio del trabajo o energía puesta
en juego entre lo que produce el compresor y lo que absorben los consumos.
Energía que entrega el compresor en un determinado tiempo:
𝑍1 . 𝑉0 . 𝑃0
Energía absorbida por los consumos en el mismo tiempo:
𝑍1 . 𝑉1 . 𝑃0
Como los caudales son diferentes, la diferencia de energía se almacena en el depósito:
FI
∆𝑝 . 𝐽 = 𝑍1 . 𝑉0 . 𝑃0 − 𝑍1 . 𝑉1 . 𝑃0 = 𝑍1 . 𝑃0 (𝑉0 − 𝑉1 )
∆𝑝 . 𝐽 = 𝑍2 . 𝑉1 . 𝑃0
Donde
∆𝑝 = Diferencia entre la presión mínima y máxima de trabajo.
𝐽 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑜 𝑚3
𝑍1 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
𝑍2 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
3
𝑉0 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑛 𝑚 ⁄ℎ
3
𝑉1 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑠 𝑛 𝑚 ⁄ℎ
𝑍1 =
∆𝑝 . 𝐽
𝑃0. (𝑉0 − 𝑉1 )
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𝑍2 =
∆𝑝 . 𝐽
𝑃0 . 𝑉1
𝑍 = 𝑍1 + 𝑍2
Reemplazando
Donde
∆𝑝 . 𝐽
∆𝑝 . 𝐽
∆𝑝 . 𝐽
1
1
+
=
[
+ ]
𝑃0 (𝑉0 − 𝑉1 ) 𝑉1
𝑃0 . (𝑉0 − 𝑉1) 𝑃0 . 𝑉1
𝑉1
𝑉1 =×. 𝑉0 ∴ ×=
≤1
𝑉0
OM
𝑍=
×= 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑦 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜
1
1
1
1
+
]=[
+
]
(𝑉0 −×. 𝑉0 ) ×. 𝑉0
𝑉0 (1 −×) ×. 𝑉0
1
1
1 × +1 −×
1
1
1
(
+ )= (
)= (
)
𝑉0 × (1 −×)
𝑉0 × (1 −×)
𝑉0 1 −× ×
∆𝑝 . 𝐽
1
𝑍. 𝑃0. 𝑉0
𝑍=
(
)∴𝐽=
(× (1 −×))
𝑃0 . 𝑉0 × (1 −×)
∆𝑝
Siendo
Donde
LA
DD
.C
[
𝑍. 𝑎 = 1 ∴ 𝑍 =
1
𝑎
FI
𝑎 = 𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑦 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟
Finalmente
𝑷 𝟎 . 𝑽𝟎
𝑱=
(× (𝟏 −×))
𝒂. ∆𝒑
También existen gráficos que permiten que permitan determinar el volumen del depósito o
pulmón.
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0
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DD
.C
OM
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Fig. 48
Purgas
Las purgas se utilizan para eliminar el condensado del sistema. Existen purgas manuales y purgas
automáticas.
FI
Las purgas manuales son aquellas en que un operario debe accionarlas para que liberen el
condensado. En la siguiente imagen se puede observar un botón pulsador, el cual debe ser
accionado para eliminar el condensado; cuando se libera el botón el purgador se cierra.
Fig. 49
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Las purgas automáticas son aquellas que se accionan de manera automática cuando el
condensado alcanza un nivel determinado. Existen diversos tipos según su principio de
funcionamiento.
LA
DD
.C
OM
En la siguiente imagen se observa la purga con flotador. Esta purga tiene la ventaja que no
requiere energía para su accionamiento.
Fig. 50 Purga de flotador
FI
A continuación, se presenta una purga electrónica. A diferencia de la anterior esta si requiere
energía eléctrica para su accionamiento.
Fig. 51 Purga electrónica
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Transporte y distribución del aire comprimido
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El condensado entra en el depósito colector (2) por el conducto de entrada (1). El sensor por nivel
(3) da un aviso al sistema de control del drenaje cuando se alcanza el nivel máximo. El control abre
la válvula solenoide (4) y el conducto piloto (6). La compensación de presión resultante hace que
se abra la membrana de la válvula (5). El condensado pasa desde el depósito colector por medio
del conducto de salida (8) al exterior del drenaje. Tan pronto como se alcanza el nivel mínimo en el
depósito colector, el sistema de control cierra de nuevo la válvula solenoide. A continuación, se
produce un cambio en las potencias de presión que actúan sobre la membrana, que se vuelve a
cerrar herméticamente por acción del resorte.
Para transportar y distribuir el aire comprimido se emplea una red. Dentro de dicha red se
distinguen tres tipos de tuberías:
•
Tubería principal
•
LA
DD
.C
Sale del depósito o pulmón y canaliza la totalidad del caudal de aire. Para determinar la sección de
pasaje debe preverse un margen de seguridad para contemplar posibles crecimientos de la planta.
Tuberías secundarias
Toman el aire de la tubería principal y se ramifican por las zonas de trabajo. El caudal de aire que
transporten será el correspondiente a la suma de los caudales que de ella se deriven. Es
conveniente pensar en futuras ampliaciones al calcular su diámetro.
•
Tuberías de servicio
Son las bajantes que alimentan los equipos neumáticos en los puntos de manipulación. Están
equipadas con acoples rápidos para la conexión de mangueras, así como los grupos filtroregulador-lubricador (FRL). Se dimensiones en base al consumo que alimentan y se debe evitar
utilizar tuberías de sección menor a 1/2“.
FI
Redes de distribución
Las redes pueden ser abiertas o cerradas. A continuación, se observan estos dos tipos de redes y
se describen sus ventajas y desventajas.
Red abierta
–
Se constituye por una sola línea principal de la cual se desprenden las líneas
secundarias y las de servicio.
–
Se deben implementar inclinaciones de las tuberías entre 0,5 y 2% en la
dirección del flujo de aire comprimido, para conducir y eliminar el condensado.
–
Su principal ventaja la constituye su baja inversión inicial necesaria para lograr
esta configuración.
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3
Instalaciones Industriales
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.
LA
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.C
OM
–
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Fig. 52 Red abierta
FI
Dónde:
1. Compresor
2. Refrigerador posterior
3. Deposito o pulmón con purga automática incorporada
4. Separador de condensado
5. Tubería de servicio (bajante) con válvula de bloqueo y purga.
Las flechas indican la dirección del flujo de aire comprimido.
Red cerrada
–
La inversión inicial de este tipo de red es mayor con respecto a la red abierta.
–
Se facilitan las labores de mantenimiento sin afectar la producción.
–
Falta de dirección constante del flujo.
La dirección del flujo en algún punto de la red dependerá de las demandas
puntuales y por tanto el flujo de aire cambiará de dirección dependiendo del
consumo.
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4
Instalaciones Industriales
Un defecto de la red cerrada es la dificultad de eliminar el condensado debido a
la falta de dirección constante del flujo. Es por esto es necesario incorporar
secadores para el aire comprimido.
LA
DD
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–
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Fig. 53 Red cerrada
FI
Dónde:
1. Compresor
2. Refrigerador posterior
3. Deposito o pulmón con purga automática incorporada
4. Secador de aire (de adsorción)
Las flechas indican la dirección del flujo de aire comprimido.
3. Consumos
Los consumos dependen en gran medida del tipo de industria (automotriz, alimenticia, etc.) pero
independientemente de esto cualquiera sea el consumo, para unir el consumo a la red se utiliza
una bajante o tubería de servicio.
LA TOMA DE AIRE COMPRIMIDO DEBE HACERSE SIEMPRE DESDE LA PARTE SUPERIOR DE LA
TUBERIA, porque el condensado se encuentra en la parte inferior de la misma. Para esto se
recurre a una acometida llamada cuello de cisne.
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En la siguiente imagen se pueden observar distintos tipos de consumos conectados a la red
mediante las tuberías de servicio.
Fig. 54
En cada punto de consumo, sobre la tubería de servicio se colocan unidades de mantenimiento
(filtro y lubricador).
Si la presión de funcionamiento del consumo es inferior a la presión de generación y distribución,
se debe agregar una válvula reguladora de caudal (regulador).
Es importante saber que estos componentes pueden colocarse individualmente o todos juntos
formando una única unidad llamada FRL (Filtro-Regulador-Lubricador)
FI
A continuación se muestran los elementos antes mencionados:
Filtro
Está diseñado para una alta eficiencia en la remoción de humedad. Debido al sistema de
deflectores, el agua y las partículas sólidas contenidas en el aire comprimido son totalmente
separadas.
Una gran superficie del elemento filtrante garantiza baja caída de presión y el aumento de su vida
útil.
Operación
El aire comprimido entra por el orificio en el cuerpo del filtro y fluye a través del deflector superior
(A) causando una acción de turbulencia en el aire comprimido.
La humedad y las partículas sólidas contenidas en el aire son lanzadas contra la pared del vaso (C)
debido a la acción centrífuga del aire comprimido en estado turbulento por efecto del deflector.
Hay bastante humedad en las partículas sólidas que escurren por la pared del cuerpo, debido a la
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LA
DD
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fuerza de gravedad. La pantalla (B) asegura que la acción de turbulencia ocurre siempre que el aire
pasa directamente a través del elemento filtrante.
El deflector inferior (E) separa la humedad y las partículas sólidas depositadas en el fondo del vaso,
evitando así la entrada de las mismas en el sistema de aire comprimido.
Después que la humedad y las partículas sólidas más grandes sean removidas por el proceso de
turbulencia, el aire comprimido fluirá a través del elemento filtrante (D) donde las partículas más
pequeñas serán retenidas.
Fig. 55
FI
El aire vuelve entonces hacia el sistema, dejando la humedad y las partículas sólidas contenidas en
el fondo del vaso, que debe ser drenado antes que el nivel alcance la altura donde puedan
retornar hacia el flujo de aire.
Este drenaje puede ser ejecutado por un Dreno Manual (F), cuando se accionado un obturador (G)
girándolo en sentido contrario a las agujas del reloj, o por un Dreno Automático, que libera el
líquido, cuando este alcanza un nivel predeterminado.
Válvula reguladora de caudal (Regulador)
Si la presión de funcionamiento del consumo es inferior a la presión de generación y distribución,
se debe agregar una válvula reguladora de caudal (regulador).
Operación
El aire comprimido entra por (P) y puede salir por (P') sólo si la válvula de asiento estuviera
abierta. La sección de paso regulable está situada debajo de la válvula de asiento (C). Girando
totalmente la manopla (D) en el sentido contrario de las agujas del reloj (resorte sin compresión),
el conjunto de válvula de asiento (C) estará cerrado. Girando la manopla en el sentido de las
agujas del reloj, se aplica la carga de un resorte calibrado con regulación (A) haciendo que el
diafragma (B) y la válvula de asiento (C) se desplacen hacia abajo, permitiendo el paso del flujo de
aire comprimido para su utilización (H). La presión sobre el diafragma (B) está balanceada a través
del orificio de equilibrio (G) cuando el regulador está en funcionamiento. La presión secundaria, al
exceder una presión regulada, causará, por medio del orificio (G), en el diafragma (B), un
movimiento ascendente contra el resorte de regulación (A), abriendo el orificio de sangría
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(F) contenido en el diafragma. El exceso de aire es fugado hacia la atmósfera a través del orificio
(E) en la tapa del regulador (solamente para reguladores con sangría). Para una salida de presión
pre-regulada y un proceso de apertura - cierre de la válvula de asiento (C), se ocasiona cierta
vibración. Eso puede ser evitado, con ciertos reguladores que están equipados con un
amortiguador (I) de resorte o aire comprimido.
El dispositivo autocompensador (C-J) permite montar el regulador en cualquier posición, y confiere
al equipo un tiempo de respuesta corto. La presión de salida es alterada por la actuación sobre la
manopla de regulación, no importa si es para disminuir - cuando la presión secundaria regulada es
mayor, el resto del aire de esta regulación es expulsado automáticamente al exterior a través del
orificio (F) hasta que la presión requerida sea obtenida - el incremento - el aumento se obtiene
normalmente actuando la manopla y comprimiendo el resorte (A) de la manera ya mencionada; y
a través de un manómetro (J) se registran las presiones secundarias reguladas.
Fig. 56
Lubricador
Genera la distribución proporcional del aceite en una larga franja del flujo de aire.
El sistema con aguja asegura una distribución de aceite repetitiva y permite el llenado del vaso aun con la
línea presurizada.
Operación
El aire comprimido fluye a través del lubricador por dos direcciones. En caudales bajos, la mayor
parte del flujo de aire es a través del orificio Venturi (B) y la otra parte fluye deflectando la
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membrana de restricción (A) y al mismo tiempo presuriza el vaso a través del asiento tipo esfera
de la placa inferior. La velocidad del aire que fluye a través del orificio de Venturi (B) provoca una
depresión del orificio superior (F), que, es sumada a la presión positiva del vaso a través del tubo
de succión (E), lo cual hace que el aceite se consuma a través del conjunto de goteo. Ese flujo se
controla a través de la válvula de regulación (G) y el aceite gotea a través del paso (I), encontrando
el flujo de aire que pasa a través de Venturi (B), provocando así, su pulverización. Cuando el flujo
del aire aumenta, la membrana de restricción (A) impide el paso del aire, haciendo que la mayor
parte pase por el orificio de Venturi (B), asegurando que la distribución del aceite aumente
linealmente con el incremento del vacío de aire. El vaso puede llenarse con aceite sin necesitar
despresurizar la línea de aire, debido a la acción de la esfera (C). Cuando el tapón del relleno (H) es
retirado, el aire contenido en el vaso se escapa hacia la atmósfera y la esfera (C) impide el paso de
aire hacia el vaso, evitando así, su presurización. Al volver a poner el tapón, una pequeña porción
de aire entra en el vaso y cuando este es totalmente presurizado la lubricación vuelve a la
normalidad.
Fig. 57
Conjunto Filtro/Regulador
Hay también válvulas reguladoras integradas con filtros, ideales para lugares compactos.
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Economiza espacio, pues ofrece el filtro y regulador en un solo conjunto para un desempeño
óptimo.
Este equipo combina las características del filtro y el regulador en un solo elemento.
Fig. 58
Conjunto Filtro/Regulador/Lubricador
FI
En los casos que es necesario utilizar los tres elementos antes mencionados, es posible unirlos
para formar una unidad unidad conocida como FRL. Al igual que en el caso anterior
filto/regulador) se optimiza el espacio requerido para el montaje.
Fig. 59
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Proyecto de una instalación industrial de aire comprimido
Las instalaciones industriales de aire comprimido para neumática utilizan presiones de producción
y distribución en el rango de 7 a 8 bar.
LA
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.C
OM
Dependiendo de la calidad del aire requerido, la instalación requerirá de más o menos
componentes. En la siguiente imagen se observa un sistema completo, con diferentes opciones de
refrigeradores posteriores y secadores.
Fig. 60
Recomendaciones para las instalaciones
FI
A. Perdidas admisibles de aire. Una buena práctica es que las fugas de aire comprimido no
superen entre el 5 y el 10% de la capacidad total de los compresores instalados. Este
porcentaje se debe contemplar a la hora de definir la capacidad de los compresores.
B. Se recomienda que la caída de presión del total de la instalación sea de 0,6 bar, con un
límite máximo de hasta 1 bar.
C. Diseñar la red con base en la arquitectura del edificio y de los requerimientos de pureza
del aire comprimido.
D. Procurar que la tubería sea lo más recta posible con el fin de disminuir la longitud de
tubería, número de codos, tes, y cambios de sección que aumentan la pérdida de presión
en el sistema.
E. Montaje siempre aéreo de las tuberías. Puede sostenerse de techos y paredes. Facilita la
instalación de accesorios, puntos de drenaje, futuras ampliaciones, fácil inspección y
accesibilidad para el mantenimiento.
F. La tubería no debe entrar en contacto con los cables eléctricos para evitar accidentes.
G. En la instalación de la red deberá tenerse en cuenta cierta libertad para que la tubería se
expanda o contraiga ante variaciones de la temperatura.
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Datos requeridos:
OM
H. Antes de implementar extensiones o nuevas demandas de aire en la red debe verificarse
los diámetros de la tubería.
I. Un buen diámetro de la tubería principal evita problemas ante una ampliación de la red.
J. Para el mantenimiento es esencial que se ubiquen frecuentemente en la red válvulas de
bloqueo.
K. Todo cambio brusco de dirección o inclinación es un sitio de acumulación de condensados.
L. Las tomas de aire para bajantes o tuberías de servicio nunca deben hacerse por la parte
inferior de la tubería sino por la parte superior.
–
Determinación del Consumo Medio
–
Presión de Trabajo y Pérdida de carga Admisible.
–
Calidad del aire Necesario
Determinación del Consumo Medio:
LA
DD
.C
1. Listar cada una de las Herramientas, equipos, etc. Con su consumo nominal (Qnom. Y
PTrabajo).
2. Sumar todos los caudales Normalizados del listado del punto 1
3. Determinar el Factor de Simultaneidad (Global) o el Coeficiente de Utilización (Individual).
4. El Producto de la sumatoria del punto 2 por el factor del punto 3 nos da el caudal que
debe suministrar al sistema.
5. Al valor del punto 4 se le adiciona un % por pérdidas (entre 5 y 15%), y a esto un % extra si
se prevé una futura ampliación.
Este último valor obtenido es el caudal mínimo a suministrar.
Factor de simultaneidad
FI
Está definido por la cantidad de consumos que están funcionando de manera simultánea. Cuando
es un proyecto nuevo y no se tiene experiencia es posible recurrir a tablas que dan valores
aproximados.
Factor de utilización
Está definido por la cantidad de horas de funcionamiento continuo de los consumos.
Caudal de aire libre suministrado
Hay que ser cuidadoso en el uso de las unidades de caudal porque estamos en presencia de un
fluido compresible. Para el aire comprimido se utiliza caudal “normal” o caudal FAD.
Las siglas vienen dadas por su denominación en inglés Free Air Delivery (FAD), cuya traducción al
español es Aire Libre Suministrado.
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El caudal que la mayoría de los fabricantes indican como FAD en sus catálogos corresponde al
medido según ISO 1217. Esta norma regula el procedimiento en la medición del caudal a la salida
de la unidad compresora, así como las condiciones de referencia para hacerlo.
Para calcular el caudal FAD que se necesita, hay que tener en cuenta las condiciones de aspiración
del compresor, es decir, la temperatura de aspiración del aire, humedad y presión absoluta con las
que se ha definido dicho caudal.
𝑃𝑁
𝑇𝐹𝐴𝐷
)×(
)
𝑃𝐹𝐴𝐷
𝑇𝑁
273 + 20
1,013
= 𝑄𝑛 × (
)×(
)
273
1,00
𝑄𝐹𝐴𝐷 = 𝑄𝑛 × (
𝑄𝐹𝐴𝐷
Donde
OM
Cuando el caudal del compresor está en condiciones normales es necesario transformarlo a
condiciones de aire libre utilizando la siguiente ecuación:
LA
DD
.C
𝑄𝐹𝐴𝐷 = 𝐴𝑖𝑟𝑒 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 (𝑙⁄𝑠)
𝑄𝑁 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑒𝑠 ( 𝑛 𝑙⁄𝑠)
𝑇𝐹𝐴𝐷 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (20℃)
𝑇𝑁 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑒𝑠 (0℃)
𝑃𝐹𝐴𝐷 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑏𝑎𝑟 𝐴𝑏𝑠. )
𝑃𝑁 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑒𝑠(1,013 𝑏𝑎𝑟 𝐴𝑏𝑠. )
Recomendaciones para resolver casos particulares donde existe vvariabilidad de los parámetros
de consumo
–
Caso A: [Gran Q @ Alta P] + [Q Pequeño @ Baja P]
•
–
Utilización de válvula reductora en circuito secundario
Caso B: [Gran Q @ Baja P] + [Q Pequeño @ Alta P]
Utilización de compresor adicional en circuito secundario
FI
•
–
Caso C: [Gran Q @ en tiempo reducido] + [Q Pequeño @ largos períodos de
tiempo]
•
Utilización de dos circuito independientes
Pre dimensionamiento de las tuberías
1- Cálculo del diámetro interior
𝑄
𝑆. 𝑃
𝜋. 𝐷𝑖2
𝑆=
4
𝑉=
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Dónde
𝑄 = Caudal circulante en n m3 /s
𝑆 = Area interior de la cañería en m2
𝐷𝑖 = Diametro interior de la cañería en m2
𝑃 = Presión absoluta en 𝑏𝑎𝑟.
•
𝟓 𝒎⁄𝒔𝒆𝒈 ≤ 𝑽 ≤ 𝟏𝟓 𝒎⁄𝒔𝒆𝒈
LA
DD
.C
Teniendo en cuenta lo siguiente:
OM
Siendo la velocidad recomendada:
𝟒. 𝑸
𝑫𝒊 = √
𝝅. 𝑷. 𝑽
Tubería principal y tuberías secundarias
La máxima velocidad del aire debe ser de 8 m/seg.
•
Tuberías de servicio
La máxima velocidad del aire debe ser de 15 m/seg.
Una vez calculado el diámetro interior se debe seleccionar la medida más próxima que existe
comercialmente. Generalmente se elige el inmediato superior.
2- Cálculo de la perdida de carga en el tramo
FI
𝑷𝟐𝟏 − 𝑷𝟐𝟐 =
𝟕𝟔, 𝟑𝟓 × 𝑳 × 𝑸𝟏,𝟖𝟕𝟓
𝑫𝟓𝒊
Dónde
𝑃1 𝑦 𝑃2 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 𝑒𝑛 𝑎𝑚𝑏𝑜𝑠 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 − 𝑏𝑎𝑟 𝐴𝑏𝑠.
𝐿 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑚 (𝑖𝑛𝑐𝑙𝑢𝑦𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑜𝑟𝑖𝑜𝑠)
3
𝑄 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑒𝑠 − 𝑛 𝑚 ⁄ℎ
𝐷𝑖 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 − 𝑚𝑚
Si el valor de la diferencia de presión (perdida de presión) es muy elevado, se deberá seleccionar
un valor de velocidad más bajo, recalcular el diámetro interior y recalcular la diferencia de
presión.
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Los valores de longitudes equivalentes de los diferentes accesorios se pueden obtener de tablas
como se muestra a continuación:
Fig. 61 Tabla para determinar la longitud equivalente de diferentes componentes y accesorios
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Como alternativa a la fórmula anterior, para calcular el diámetro de la tubería se puede usar un
nomograma (ver página siguiente) para averiguar el diámetro de tubería más apropiado. Para
realizar este cálculo hay que conocer el caudal, la presión, la caída de presión permitida y la
longitud de la tubería.
Fig. 62 Nomograma para calcular el diámetro interior de la tubería.
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Selección del o los compresores
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Teniendo en cuenta los caudales y presiones necesarias, se puede seleccionar acorde a
lineamientos de nomogramas, las zonas de uso de cada compresor. De esto obtendremos la
posibilidad de que varios de ellos cumplan con los requerimientos de Presión y Caudal por lo que
la selección no sería fácil.
Fig. 62
FI
Para ello hay que recurrir a la evaluación del costo total, compuesto por el costo de amortización
del equipo más el costo operativo.
Con respecto a la amortización es posible decir que la vida útil de un compresor supera varias
veces el proyecto de inversión por lo que su incidencia será insignificante, mientras que el costo
operativo, que se compone fundamentalmente de su consumo y mantenimiento, es más
significativo. Por ende, un factor muy importante a tener en cuenta para la selección del
compresor es su eficiencia.
Volumen del depósito o pulmón
Se calcula en función a lo desarrollado en las páginas 49 y 50.
Selección de filtros
Para seleccionar un filtro primero hay que identificar y evaluar la aplicación y el proceso en los
que se usa el aire comprimido. No todos los procesos y aplicaciones requieren el mismo nivel de
filtrado. En muchos casos es necesario utilizar distintos filtros colocados en serie para cubrir las
necesidades.
Una vez definido esto, se debe tener en cuenta el caudal de aire comprimido a filtrar y la presión
de trabajo.
Finalmente se determina la perdida de carga (caída de presión) utilizando datos o gráficos que
suministra el fabricante del filtro.
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Fig. 63 Curva de caudal vs caída de presión de un filtro
Tuberías y accesorios
Selecciones del material
Los materiales para los tubos de aire comprimido se dividen básicamente en dos tipos: metálicos y
no metálicos.
Al tubo no metálico, se le llama tubo termoplástico.
FI
Las canalizaciones metálicas (tuberías) pueden ser de acero negro, acero inoxidable, cobre o de
aluminio extruido y anodizado.
Tuberías de Acero
Las tuberías de Acero negro Schedule 40 son las más comunes en los sistemas de aire comprimido,
debido al buen precio y durabilidad. Los tubos de diámetro menor de 76 mm normalmente están
roscados mientras que otros de mayor diámetro necesitan soldaduras y bridas. Sin embargo, las
tuberías de acero negro, se corroerán si están expuestas a humedad condensada y
constantemente, aparecerán partículas sólidas que provocarán contaminación. La corrosión
interna se hace aún más significante cuando se expone a tipos de condensados de características
altamente ácidas. Si se compara el acero negro con el aluminio o el cobre, el acero negro es
mucho más pesado y difícil de manejar, lo que incrementa significantemente las horas del trabajo
para su instalación.
Muchas veces se seleccionan tuberías de acero galvanizadas para el transporte a 7 bar. Este
revestimiento ayuda a las tuberías de acero negro a no oxidarse tanto comparado con las estándar
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Schedule 40. Con el paso del tiempo, sin embargo, cuando hay señales de corrosión, el material
galvanizado empieza a desprenderse. En consecuencia, las tuberías se convierten en una fuente de
contaminantes potencialmente destructivos que pueden afectar a la integridad mecánica de los
componentes del sistema.
Tuberías de Acero Inoxidable
OM
Las tuberías del tipo Schedule 10 son livianas (si se comparan con el acero negro) y son resistentes
a la corrosión. Debido a que son fáciles de manejar, deberían ser más baratas de instalar, pero
para instalarlas se requieren soldadores profesionales. Para conexiones soldadas, el acero
inoxidable necesita solamente un cordón de soldadura, en cambio, el acero negro requiere tres
(soldadura, rellenado y cobertura). Normalmente, el acero inoxidable no precinta bien cuando se
enrosca, funcionará mucho mejor con conexiones con ranuras.
Tuberías de Cobre
LA
DD
.C
Los tubos de cobre son una selección muy común para sistemas de aire comprimido y cuando
tienen las medidas y las conexiones adecuadas, son muy duraderos y efectivos. Los tipos M hard, L
hard y K soft, funcionan a presión de 17 bar.
Las tuberías de cobre resisten altas temperaturas de hasta 204 °C. Aunque el cobre fallara, lo haría
de una manera predecible, los extremos de los tubos empezarían a separarse.
No se recomienda la soldadura de tubos de cobre y accesorios con plomo. Las soldaduras de
plomo tienen una resistencia muy baja, pueden aparecer fugas y dependiendo de la aleación,
empezarán a derretirse a 183°C. La plata y las soldaduras duras son formas para soldaduras
fuertes, pero no deben confundirse con soldaduras de plomo. Las soldaduras de plata o
soldaduras duras con aleación de algún tipo de plata se derretirán a temperaturas que oscilan
entre 618- 982°C.
FI
Tuberías de Aluminio
Este tipo de tuberías para aire comprimido es muy utilizado. El aluminio es muy resistente a la
corrosión y ligero de peso lo que permite una instalación más fácil. Los tubos son construidos por
extrusión y luego anodizados.
La falta de corrosión interna se traduce en una superficie interior más lisa reduciendo así, la
pérdida de presión que provoca la fricción. Otra característica positiva que ofrece el aluminio para
la conducción del aire es que el diámetro interior de las conexiones es exacto al diámetro interior
de los tubos así no hay obstáculos en el flujo de aire. Otra característica importante del aluminio
es la elevada flexibilidad de las conexiones, permitiendo que el sistema de tuberías se adapte
fácilmente a las necesidades de los edificios y a los requerimientos de montaje y desmontaje de
sus áreas de producción. Las tuberías de aluminio se pueden instalar o desmontar sin necesidad de
personal técnico o soldadores expertos y tiene un rango de temperatura de operación amplio,
desde 15-80 °C. Hay tener en cuenta que este rango puede variar según las marcas.
Tuberías termoplásticas
Estas tuberías son las que se unen mediante termofusión.
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El material utilizado es resina de polietileno (PE), la cual está especialmente formulada para ser
resistente a los aceites sintéticos y minerales usados en la lubricación de compresores.
La instalación de los sistemas termoplásticos tiene diferencias considerables comparadas con el
metal y debe ser realizada por personal capacitado. Algunas consideraciones a tener en cuenta
son:
OM
• La tubería no es resistente a los rayos UV y debe instalarse con protección suficiente si se expone
a la luz solar directa.
• No instalar cuando la temperatura ambiente sea inferior a 5°C, o cuando haya viento o lluvia.
• Dejar pasar de 24 a 48 horas para que el material se adapte a la temperatura ambiente antes de
soldar.
• Se debe probar la presión de todos los sistemas de tuberías según las normas correspondientes.
Accesorios
LA
DD
.C
Los accesorios son los elementos utilizados para la unión de las tuberías. En este grupo se
encuentran: cuplas, reducciones, codos, curvas, Te, etc.
FI
Los accesorios para las tuberías de acero (negro o galvanizado) son roscados (rosca BSP o NPT)
hasta un tamaño de 4 pulgadas. Para dimensiones superiores hay que recurrir a uniones bridadas
o soldadas.
Fig. 64
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Los accesorios para las tuberías de aluminio están diseñados para que sean muy fáciles de instalar
y desinstalar. Se llaman racores.
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Fig. 65
Fig. 66
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La forma de los racores cambia en función del tamaño de la tubería:
Fig. 67
Los accesorios termoplásticos son muy variados.
Fig. 68
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Fig. 69 Adaptador roscado
FI
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OM
A continuación, se muestra el proceso de soldadura por termofusión entre una tubería y un
accesorio:
Fig. 70
Sala de compresores
La regla principal para la instalación es, ante todo, organizar una planta de compresores
independiente. La experiencia dice que es preferible la centralización, con independencia del tipo
de industria. Entre otras cosas, se obtiene una mejor economía de funcionamiento, un sistema de
aire comprimido mejor diseñado, mayor sencillez de servicio, protección contra acceso no
autorizado, buen control del ruido y mayores posibilidades de ventilación controlada.
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En segundo lugar, para la instalación de los compresores se podría usar una zona separada del
edificio. Con este tipo de instalación deben tenerse en cuenta ciertos riesgos e inconvenientes, por
ejemplo: molestias a causa del ruido, requisitos de ventilación del compresor, riesgos físicos y/o
riesgos de sobrecalentamiento, drenaje de los condensados, entornos peligrosos, por ejemplo,
polvo o sustancias inflamables, sustancias agresivas en el aire, necesidades de espacio para
ampliaciones futuras y acceso para realizar el mantenimiento. Sin embargo, la instalación en un
taller o un almacén puede facilitar el montaje del sistema de recuperación de energía. Si no hay
sitio para instalar el compresor en el interior del edificio, también se puede colocar en el exterior
bajo techo. En este caso, deben tenerse en cuenta ciertos aspectos: riesgo de congelación en las
descargas de condensado, protección contra lluvia y nieve en la entrada de aire, necesidad de una
fundación sólida y plana (asfalto o losas de hormigón), riesgo de polvo, sustancias inflamables o
agresivas y protección contra acceso no autorizado.
Aire de aspiración
LA
DD
.C
El aire de aspiración del compresor debe estar limpio y libre de contaminantes sólidos y
gaseosos. Las partículas de suciedad y los gases corrosivos pueden producir desgaste y daños en el
compresor. La entrada de aire del compresor se encuentra normalmente en una abertura de la
carrocería insonorizada, pero también se puede colocar a mayor distancia, en un lugar donde el
aire sea lo más limpio posible. La contaminación por gases procedentes de los humos de escape de
vehículos puede ser letal si se mezcla con el aire que respiramos. Se deberá usar un pre filtro
(ciclónico, de panel o rotativo de banda) en instalaciones donde el aire circundante tenga una alta
concentración de polvo. En estos casos, debe tenerse en cuenta, en la fase de diseño, la caída de
presión producida por el prefiltro.
FI
También es beneficioso que el aire de aspiración esté frío. Por tanto, puede ser conveniente
canalizarlo a través de una tubería separada, desde el exterior del edificio hasta el compresor. En
este caso, es importante usar tuberías resistentes a la corrosión, dotadas de una malla en la
entrada y diseñadas de modo que no exista riesgo de que penetre nieve o lluvia en el compresor.
También es importante usar tuberías de diámetro suficiente para que la caída de presión sea la
menor posible. El diseño de las tuberías de entrada de los compresores de pistón es
particularmente crítico. La resonancia de las tuberías procedente de las ondas estacionarias
acústicas ocasionadas por la frecuencia pulsatoria cíclica del compresor, puede provocar daños en
las tuberías y en la máquina, producir vibraciones y afectar al entorno con el molesto ruido de baja
frecuencia.
Ventilación de la sala de compresores
El calor de la sala de compresores proviene de todas las unidades. Este calor se evacua
ventilando la sala.
La cantidad de aire de ventilación se determina por el tamaño del compresor y por el método de
refrigeración, que puede ser por aire o por agua. El aire de ventilación para compresores
refrigerados por aire contiene cerca del 100% de la energía consumida por el motor eléctrico en
forma de calor. En el caso de compresores refrigerados por agua, contiene un 10% de la energía
consumida por el motor eléctrico. El calor se debe eliminar para mantener la temperatura de la
sala de compresores en un nivel aceptable. El fabricante del compresor debe facilitar información
detallada sobre el flujo de ventilación necesario, aunque esta cifra también se puede calcular de la
forma siguiente:
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qv =
Pv
0,92 . ∆T
Dónde
𝑞𝑣 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 (𝑚 3 /𝑠𝑒𝑔).
𝑃𝑣 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜 (𝑘𝑊 ).
∆𝑇 = 𝐴𝑢𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜
LA
DD
.C
OM
En la siguiente imagen se muestra un sistema con varios ventiladores controlados por termostato
que pueden satisfacer juntos las necesidades de ventilación total.
FI
Fig. 71
Los termostatos de los ventiladores se ajustan para diferentes rangos, lo cual significa que la
cantidad de aire de ventilación puede variar en función de la temperatura exterior y/o del número
de compresores en uso (ya que los termostatos conectarán los ventiladores uno tras otro
dependiendo de la temperatura de la sala de compresores). Alternativamente, los ventiladores se
pueden arrancar a través de un termostato multietapa.
A continuación, se muestran 4 opciones para la ventilación de la sala de compresores en función a
la entrada y salida del aire:
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18 de septiembre de 2019
LA
DD
.C
OM
Instalaciones Industriales
FI
Fig. 72
Bibliografía
Manual de aire comprimido – Atlas Copco.
•
Tecnología Neumática Industrial – Apostilla M1001 BR - Enero 2003
•
AIRE COMPRIMIDO – Teoría y Cálculo de las instalaciones – Enrique Carnicer Royo –
Editorial PARANAINFO S.A. -1994.
•
COMPRESORES - Pedro Fernández Díez - DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y
ENERGETICA UNIVERSIDAD DE CANTABRIA.
•
ING. LUCIANO MANAVELLA
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