4.1 Diseño de la red de distribucion 4.1.1 Consideraciones El ciclo del aire comprimido en una instalación se completa cuando los actuadores finales lo utilizan para efectuar un trabajo. Hasta ahora se ha visto cómo los compresores comprimen el aire, cómo los refrigeradores, filtros y secadores lo preparan antes de la distribución, y de qué modo las unidades FRL lo disponen antes de su utilización final. Una red de distribución de aire comprimido conduce el aire comprimido hacia la alimentación de las máquinas consumidoras. En esta sesión se describen algunos puntos generales que conviene tener en cuenta para llevar a cabo la distribución por red. Más adelante se expondrá cómo se dimensiona y cuáles son las propiedades de los materiales y elementos de conexión que se utilizan con más frecuencia. Inclinación de la línea A pesar de las precauciones tomadas con el empleo de secadores o refrigeradores durante la fase de preparación del aire comprimido, en el aire siempre queda una parte de iigua difícil de extraer. Esta agua se presenta en la instalación en forma de condensaciones que hay que conducir a los purgadores, situados a intervalos regulares. Su origen se debe básicamente a la actuación refrigerante de los conductos sin aislamiento térmico y a las reducciones bruscas de temperatura local que se producen en algunas válvulas y accesorios tras una fuerte expanstón. Una práctica habitual en cualquier instalación neumática consiste en disponer los conductos inclinados entre un 1 y un 3% para facilitar el drenaje de la purga. Sin embargo, en Instalaciones grandes, esta inclinación, aunque pequeña, puede ser inviable. En este caso, se puede añadir un tramo de conducto vertical y dos codos que retornen al nivel inicial y situar la purga en el punto inferior.
Tomas de presión y bajantes Es recomendable disponer las tomas de presión en forma de garrota desde la parte superior del conducto. De este modo, impediremos que las condensaciones entren en la derivación. Las tomas de purga se deben colocar en la parte inferior para facilitar la captación y evacuación del agua. Cuando una toma de presión acaba en un bajante, debe disponerse una válvula de aislamiento y una purga en su extremo inferior. La toma de aire a presión se obtendrá de una T como se muestra en el esquema.
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Purgadores Los purgadores pueden ser manuales, automáticos o de accionamiento neumático. Esta claro que el coste de los purgadores automáticos es superior al de los manuales, pero el ahorro de tiempo que suponen recomienda su uso en la mayor parte de las ocasiones. Los purgadores de accionamiento neumático permiten la actuación a distancia. Purgador manual
Purgador automático
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Purgador de accionamiento mecánico
Otras consideraciones a la hora de planear una red de aire comprimido son las siguientes: Diseñar la red principal sobredimensionada en previsión de futuras ampliaciones de la factoría y del consecuente aumento de consumo. Facilitar las labores de mantenimiento y vigilancia. Por ejemplo, evitar los conductos ocultos o enterrados. Evitar al máximo recorridos sinuosos o repletos de racores, codos y otros elementos de conexión. A veces, es preferible utilizar tramos más largos que generen menos pérdidas de presión. No demorar las operaciones de mantenimiento rutinarias, prueba de fugas y funcionamiento de los purgadores automáticos o semiautomáticos. 4.2 Tipos basicos de trazado Hay dos tipos básicos de trazado de redes de aire comprimido: los circuitos en bucle abierto, o de final en línea muerta, y los circuitos cerrados, o líneas en anillo. En general, para cualquier red se recomienda: Situar un depósito auxiliar de aire para reducir las pérdidas de presión cuando hay grandes demandas de aire en un extremo. Usar purgadores o dispositivos de drenaje a distancias no superiores de 30 m. Inclinar las tuberías un ángulo mínimo de un 1%. Derivar las tuberías de la conducción principal de la parte superior. Utilizar unidades completas de mantenimiento FRL. Y para la redes de circuito en anillo cerrado, se dan las recomendaciones específicas siguientes: Prever válvulas de aislamiento para no interrumpir el servicio en caso de avería. Incluir un circuito secundario a menor presión. Circuito en bucle abierto Las redes en bucle acierto se caracterizan por tener un final de linea claro y un único sentido de circulación del aire comprimido. Este tipo de red se emplea en instalaciones de pequeña envergadura donde el aire se lleva a los puntos de utilización de forma directa o mediante un sistema ramificado. La longitud total de la red es la menor posible -o hay que intentar que así sea- para un determinado número de puntos de utilización. La pendiente de la instalación sigue la dirección de circulación del aire para facilitar la extracción de condensaciones por el extremo final. Dos inconvenientes de este tipo de instalación son que la distribución de presiones no es muy uniforme, debido a que hoy un único sentido de circulación; y que en caso de averia en un tramo, se puede ver afectada toda la instalación.
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Esquema de circuito en bucle abierto
Ejemplo de instalación de circuito en bucle abierto
Circuito en anillo cerrado Con este tipo de trazado, la presión es más uniforme en todos los puntos de la instalación, v la pérdida de presión global es menor. Ademas, puesto que la alimentación se puede hacer por dos caminos distintos, es posible mantener la explotación de la instalación en caso de averia en algún tramo si se ha previsto un número suficiente de válvulas de aislamiento o seccionadoras. Las lineas en anillo cerrado son mas caras que las líneas abiertas, pues incluyen más longitud de conducto, pero las ventajas anteriores recomiendan su uso en redes de cierta importancia o en aquéllas donde primen criterios como la seguridad o la fiabilidad. En este tipo de red la inclinación de la línea no se puede hacer monótona, porque el circuito se cierra sobre sí mismo. Por este motivo, se hace imprescindible el empleo de válvulas de purga automática, repartidas convenientemente.
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Esquema de circuito en anillo cerrado
Ejemplo de instalación de circuito en anillo cerrado
4.3 Lineas secundarias Es muy frecuente en las redes de aire comprimido disponer de líneas cerradas separadas de la red principal por válvulas de aislamiento y reguladas a un a presión inferior. De esta forma se pueden alimentar pistolas y otros dispositivos que no requieren de mucha presión reduciendo el consumo de aire comprimido. Como ya se ha dicho anteriormente, se recomienda que las tomas de presión se realicen en forma de garrota desde la parte superior del conducto y que los puntos de purga se sitúen en la parte inferior para facilitar la captación y evacuación del agua. 4.4 Dimensionamiento de la red El coste de la red de distribución supone un porcentaje elevado del coste total de la instalación de aire comprimido. Por ello, antes de tomar alguna decisión equivocada, es importante buscar un compromiso entre la inversión inicial y los costes de explotación y mantenimiento. El objetivo final de cualquier diseño es adecuar el diámetro de los conductos y las pérdidas de modo que los costes de instalación y montaje puedan amortizarse en un periodo de tiempo razonable. Página 5 de 19
4.5 Perdidas de presion Las pérdidas de presión en una instalación son una manifestación de la pérdida de energía asociada al flujo de aire y deben reducirse en lo posible. Cuanto mayores resulten las pérdidas de presión, menor será el rendimiento de nuestra instalación y mayores sus gastos de explotación. Hay que tener presente que las pérdidas de presión son inevitables en cualquier instalación, por mucho que esté sobredimensionada. Básicamente hay dos fenomenologías de pérdidas: las pérdidas de presión en conductos lineales y las pérdidas de presión en elementos singulares. Para una misma longitud de conductos, la instalación de mayor diámetro tiene menos pérdidas. Sin embargo, este tipo de instalación es más caro y probablemente resulte más rentable dimensionar la red con tuberías de un diámetro inferior a expensas de tener mayores pérdidas. Se volverá a insistir en este punto. Perdidas de presión en conductos lineales Las pérdidas de presión que tienen lugar en conductos rectos por los que circula un caudal de aire en movimiento permanente y uniforme se denominan pérdidas lineales continuas o primarias. Estas pérdidas de presión se calculan multiplicando lo pérdida de presión especifica por ia longitud ele) tramo que se estudia. Es decir: ∆P = ∆PL × LF donde P, tiene unidades de presión -caída de presión- por unidad de longitud. La pérdida de presión específica puede evaluarse medíanle la fórmula de Darcy- Weisbach -modificada aquí por conveniencia: δ 1 v2 ∆PL = f × (Re,
D
)×
D
×P×
2
En esta expresión, f es un coeficiente que depende del número de Reynolds(Re), de la rugosidad de la tubería ( δ ) y de su diámetro, D. El número de Reynolds es un grupo adimensional muy importante en mecánica de fluidos, cuya definición formal para una tubería de diámetro D por la que circula un fluido de densidad ρ y viscosidad dinámica µ a una velocidad media v es:
Re =
ρ ×v × D µ
Este coeficiente, denominado coeficiente de Darcy-Weisbach, o simplemenie, coeficiente de fricción, puede evaluarse a partir del diagrama de Moody y de fórmulas semiempíricas, aunque en la practica toma valores cercanos a 0,02. Una forma más práctica, aunque aproximada, de escribir la fórmula de Darcy- Weisbach es la siguiente (donde D se expresa en milímetros, Q N en NL/min, P en bar relativos y ∆PL en mbar/m): ∆PL =
1 × Q N2 5 ( P + 1) × D
Diagrama de Moody Página 6 de 19
Grรกfico del profesor Berforte Pรกgina 7 de 19
Se puede observa en el gráfico del profesor Berforte cómo la pérdida de presión lineal aumenta al hacerlo el caudal normal y la longitud, y cómo disminuye cuando aumenta la presión de trabajo y el diámetro de la instalación. Perdidas de presión en accesorios Las pérdidas de presión en accesorios como codos, derivaciones, válvulas, reducciones, etc.. son función de la geometria del elemento, del número de Reynolds del flu)o y de la energía cinética medio del fluido. La pérdida de presión total asociada a varios elementos en serie se calcula como la suma de las pérdidas parciales de cada uno. Del análisis adimensional se deriva la expresión siguiente, donde, si no se dice lo contrario, la velocidad debe ser la velocidad media del fluido en la entrada del componente y el coeficiente adimensional K se puede obtener en la bibliografía especializada y en los catálogos de cada suministrador: ∆P = K (Re, geometria ) × P ×
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v2 2
Las perdidas de presión en accesorios también se denominan pérdidas singulares O pérdidas secundarias, ya que se localizan en un elemento singular de la instalación, en general de reducidas dimensiones, y su pérdida asociada suele ser además inferior a la perdida en ios conductos. Una forma mas práctica, aunque aproximada, de escribir la ecuación anterior es la siguiente (D expresado en milímetros, Q N en NL/min, P en bar relativos y ∆P en mbar): ∆P = 2,75 ×
K × Q N2 4 ( P + 1) × D
Obsérvese cómo aumenta la perdida de presión singular al hacerlo el caudai normal, y cómo disminuye cuando aumenta la presión de trabajo y el tamaño de la singularidad, Un concepto interesante desde el punto de vista del diseñador de instalaciones neumáticas e hidráulicas, en general, es el de la longitud equivalente de tubería. La longitud equivalente de una singularidad permite asociar la perdida de presión que ésta produce a la longilud de un conducto del mismo diámetro que produciría la misma perdida de presión media en las mismas condiciones.
De este modo puede valorarse fácilmente la importancia relativa de la suma de singularidades en el conjunto de la red. 4.6 Diametro adecuado de la instalacion En el dimensionamiento de una red de tuberías hay que tener en cuenta los parámetros siguientes: La presión de trabajo. El caudal de aire comprimido. La longitud de la tubería y el número de accesorios que deben incluirse en función del trazado elegido Como criterio de partida para el cálculo del diámetro más adecuado se toma la pérdida de presión total admisible en la instalación o la pérdida de presión específica admisible. Estos valores tienen que elegirse en función de condicionantes no sólo energéticos, ya que las instalaciones de menor diámetro son de menor coste, aunque provoquen más pérdidas de energía. Página 9 de 19
1) Un valor de compromiso para la pérdida de presión admisible ronda los 0,1 ó 0,3 bares. En función de este parámetro, y atendiendo a las fórmulas, es posible elegir el diámetro de la tubería. 2) Cuando se usa el criterio de la pérdida de presión específica constante, es posible reducir de forma progresiva el diámetro del conducto en función de los consumos parciales de la instalación. Un valor común de esta pérdida estaría comprendido entre los 1 ó 3 mbar/m. 3) Mantener constante la pérdida de presión específica conduce a diseños en los cuales la velocidad del aire puede tomar valores muy distintos. Por este motivo, a veces se calculan las ramificaciones de forma que la energía cinética del aire se mantenga invariable en todas las derivaciones. Conviene comparar los cálculos de todos los procedimientos explicados para elegir un valor de compromiso entre los distintos resultados. La tabla de diámetros de referencia que presentamos aquí representa un buen punto de partida a la hora de seleccionar el diámetro de un tramo de conducto. A partir de la tabla se obtiene el diámetro más adecuado para cada intervalo de caudal en función de la longitud del tramo. La presión de trabajo no aparece como variable y, en consecuencia, los resultados que se obtengan deben verificarse analíticamente. Se insiste en que la tabla debe actuar sólo como referencia en un primer tanteo inicial.
4.7 Caudal maximo Hemos recomendado sobredimensionar la instalación con previsión de futuras ampliaciones o de un posible aumento del consumo. Los gráficos siguientes revelan hasta qué punto la instalación existente se mostrará operativa ante un eventual aumento del caudal.
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4.8 Conectores Los elementos de interconexión se utilizan para conectar entre sí válvulas y tubos, y para el empalme, prolongación o derivación de conductos. Son accesorios necesarios para transportar el aire comprimido, y deben cumplir con unos mínimos requisitos: Tener dimensiones reducidas y mínima pérdida de presión. Ser de conexión rápida y estanca. Resistir las vibraciones y los esfuerzos mecánicos. Ser químicamente estables y no agresivos con el entorno.
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4.8.1 Racordaje Se conoce con el nombre racor el accesorio de conexionado que se utiliza en neumática. La práctica cotidiana ha extendido mucho su uso y ha generado diversidad de variantes constructivas que se han ido adaptando a las necesidades específicas de la industria. Entre las variantes con que pueden distinguirse racores distintos, se hallan las siguientes:
El tipo de conexión La rosca utilizada El tamaño del tubo de conexión y el número de orificios o vías El material El ángulo de conexión Una función específica
Es normal referirse a las diferentes familias por el tipo de conexión que utilizan. También hay familias enteras de racores dedicadas a un tipo de industria específico. Racor por el tipo de conexión: Racor instantáneo de conexión muy rápida con tubo. Se usa básicamente con tubo de nailon o poliuretano.
Racor de espiga de conexión rápida, ideal para sistemas de vacio o el conexionado de herramientas.
Racor de compresión para uniones firmes de metal y/o plástico por bicono. Puede ser de dos tipos básicos: de tuerca de roscado interno o externo.
Racor por el tipo de industria específica Plasfit: Racores muy higiénicos, diseñados para industrias de preparación de comida y bebida envasada.
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Fleetfit: Racor de compresión para uniones firmes de metal y/o plástico por bicono. Puede ser de dos tipos básicos: de tuerca de roscado interno o externo.
Weldfit: Racor de compresión para uniones firmes de metal y/o plástico por bicono. Puede ser de dos tipos básicos: de tuerca de roscado interno o externo.
4.8.1.1 Racores comunes y con funciones especiales A continuación presentamos una lista del nombre de los racores de uso más general. No están todos, pero la relación es una buena referencia. Racor conector, para prolongaciones de tubo Racor reductor, de diferentes diámetros Racor T, con distintas conexiones roscadas Racor en forma de codo, con un extremo roscado o tubo-tubo Racor pasamuros Racores onentables o banjos Racores para uniones múltiples
Los racordaje con función pueden ser: Sensor neumático Racor de bloqueo Racor reductor de presión Sensor neumático Los sensores neumáticos detectan la caida de presión del escape de un actuador, y envían una serial cuantío se detiene. Página 13 de 19
Racor de bloqueo Los racores de bloqueo bloquean el paso del aire en un sentido cuando se elimina la señal de pilotaje.
Racor reductor de presión Los reductores de presión funcionan como reductores de presión sobre su presión de salida
4.9 Tipos de roscas La mayoría de las aplicaciones neumáticas se sirven de los tipos de roscas estándar más difundidos en los ámbitos tecnológicos europeo y americano y extendidos después a sus áreas de influencia técnica o económica. Las roscas pueden ser básicamente cónicas o paralelas. Hay distintas normas de aplicación para cada caso en función de la zona de influencia. 4.9.1 Roscas estándar Los Estandares europeos son: Roscas macho y hembra paralelas Roscas paralelas métricas Roscas macho cónicas Roscas macho y hembra paralelas Roscas macho y hembra paralelas según 1SO 22B (BS2779): M5. Gl/8, Gl/4, G3/8, Gl/2, G3/4, Gl.
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Roscas paralelas métricas Roscas páralelas métricas según ISO 261 (BS3643): M5xl, M1Oxl, M12x1,5, etc.
Racores rápidos de rosca paralela Roscas macho cónicas según ISO (BS 21); R1/8, R1/4, R3/8, R1/2, R3/4.
Racores de espiga de rosca cónica
Racores rápidos de rosca cónica
Racores de compresión Estandares americanos El estándar americano NPTF (Naticional Standard Pipe Taper Fuel and Oil) define las roscas siguientes: roscas macho y hembra cónicas 1/8-27, 1/4-18, 3/8-18,1/2-14, 3/4-14, cuyas dimensiones se dan en TPI (filetes de rosca por pulgada -threads per inch). 4.9.2 Sellado de la conexión El sellado de la conexión se puede conseguir por dos procedimientos básicos, según se usen racores planos o cónicos. Sellado con rácores planos Sellado con racores cónicos Sellado con rácores planos Los racores de rosca paralela cierran mediante una junta entre el racor y el plano del componente al cual se rosca. Normalmente, alrededor del racor se dispone de un alojamiento para la junta.
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Sellado con rácores cónicos Los racores de rosca cónica se basan en el ajuste de esta rosca, y utilizan un sellante entre ésta y la conexión. Los racores cónicos son de menor diámetro, pues no requieren una superficie plana para la junta y de asiento. Los racores cónicos macho son aptos para conexiones hembra paralela.
4.10 Conducciones Las conducciones de aire comprimido quedan definidas por su diámetro interior (i/d –input diameter) o exterior (o/d –output diameter) y por el material de que están hechas, el cual les confiere las propiedades de resistencia mecánica y térmica, de maleabilidad y conformado necesarias. 4.10.1 Diámetros Los tamaños de tubo suelen identificarse por su diámetro exterior (o/d). Asi se facilita su identificación y el conexionado con los racores y las válvulas. En el ámbito métrico, los diámetros son: 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 22, 28,etc..todos en milimétros o/d (mm o/d). En el ámbito de pulgadas: 1/8, 5/32, 3/16,1/4, 5/16. 3/8,1/2, 5/8, 3/4, etc., en púlgadas o/d (“ o/d). En los cálculos de perdidas se presión debe usarse el diámetro interno del tubo y no el externo.
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En la tabla se muestra la paridad entre los distintos diámetros expresados en milímetros y pulgadas para tubos de tamaño estándar nominal. Esta equivalencia varía con el material del tubo y debe tomarse sólo como referencia aproximada. También es útil recordar que una pulgada corresponde exactamente a 25,4 milímetros.
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En tubos de nailon la relación entre los diámetros externo e interno es la siguiente
4.10.2 Materiales La presión y la temperatura máximas de trabajo son los factores primordiales que debemos tener en cuenta para la selección del material de las conducciones de aire comprimido. No obstante, deben considerarse también otros condicionantes como la rapidez de instalación, la facilidad de uso, su vida utíl o el coste global. Al elegir el material, deben contemplarse las cuestiones siguientes: La presión máxima de servicio de la mayoria de los sistemas neumáticos está comprendida entre los 10 y 16 bares. Si se necesitan conductos para presiones superiores, hay que solicitar la recomendación del correspondiente servicio técnico. En lo que respecta al racordaje, la mayoría de los modelos son seguros a presiones superiores a la de trabajo, aunque se seguirán tomando las debidas precauciones cuando se elijan o instalen.
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Por norma general, las tuberías de plástico están más limitadas en presión y temperatura que las metálicas. Para temperaturas extremas, es conveniente usar racores de compresión y conductos metálicos. Se preferirán tuberias de plástico para la conexión de elementos neumáticos por su flexibilidad. Este material permite su corte a medida y la conexión rápida mediante enchufes y conductos metálicos. El cobre se usara donde se requieran propiedades especiales de resistencia a la corrosión y al calor. El sistema hecho de cobre es rígido, pero fácil de instalar. Son relativamente caros para diámetros superiores de 30 milímetros. Se usa acero cuando son necesarios grandes diámetros. Entre los materiales plásticos más usados, encontramos la poliamida o nailon (PA), el poliuretano (PU) y el PVC. Entre los metálicos, se usan el cobre recocido y el semiduro (halfhard) y el acero galvanizado y el inoxidable. También se usan mangueras flexibles fabricadas de goma o de plástico reforzado, ya que son muy adecuadas para herramientas de mano por la libertad de movimientos que confieren. En la tabla se detallan las presiones máximas de trabajo en bares de estos materiales, en función del diámetro exterior del tubo:
En las industrias son muy frecuentes los rollos de tubo de plástico PA o PU o muelles Pneuflex. Estos conductos flexibles, extensibles y retractables se encuentran en una gran variedad de diámetros y longitudes. Tienen el inconveniente de multiplicar la longitud de tubo necesaria para un uso concreto, con lo que aumentan las pérdidas de presión y el consumo energético.
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