Neumática

Cuando se trata de producción y consumo de aire comprimido, estos valores se especifican en N L/min o N mm³/min, es decir, en aire libre (atmosférico). Cuando no es así, debe emplearse la siguiente fórmula para la conversión:

Q = Q₁ · (P + 1,033)1,033

• Q = litros de aire libre por minuto
• Q₁ = litros de aire comprimido por minuto
• P = presión del aire comprimido en kg/cm²

Los fabricantes utilizan distintas denominaciones para indicar la cantidad de aire que entrega un compresor, como desplazamiento volumétrico, volumen aspirado o volumen generado. Bajo estas designaciones suele informarse un caudal teórico, que no representa el caudal real efectivamente suministrado, mientras que el consumo de los equipos neumáticos se expresa en valores reales o efectivos.

Por esta razón, cuando se selecciona un compresor basándose únicamente en dichos valores teóricos, la cantidad de aire disponible en servicio resulta, en general, entre un 20 % y un 25 % inferior a la indicada, ya que ningún compresor alcanza un rendimiento del 100 %.

Para evitar confusiones, es recomendable adquirir compresores que especifiquen y garanticen el caudal de aire de acuerdo con las condiciones de presión y temperatura de aspiración, expresado en litros o metros cúbicos de aire libre.

Dado que las condiciones climáticas varían según la ubicación geográfica, no resulta práctico establecer tablas de consumo válidas para todos los casos. Por ello se adoptan normas que definen condiciones estándar de presión y temperatura del aire aspirado, independientes del estado atmosférico real. A este aire se lo denomina aire normal o aire normalizado, y se lo identifica mediante la letra N (mayúscula), colocada después del valor numérico y antes de la unidad de volumen. Por ejemplo: 600 N m³/h indica un caudal de 600 m³/h expresado en condiciones normales.

Las condiciones normales no son universales y dependen del marco normativo adoptado. Según el Compressed Air & Gas Institute (Estados Unidos), 1 N m³/h corresponde a un metro cúbico de aire por hora a 20 °C, una presión de 1,033 kg/cm² y una humedad relativa del 36 %.

En Europa, la norma C.E.T.O.P. RP-44P, basada en ISO R 554, establece como condiciones normales una temperatura de 20 °C, una presión de 101,3 mbar y una humedad relativa del 65 %.

Los métodos de ensayo y medición del caudal efectivo de aire libre suministrado por los compresores se encuentran definidos en diversas normas internacionales, entre ellas DIN 1945, DIN 1952, BSS 726-1952, ASME PTC 9 y NFX 10.

Sistema internacional de unidades

En la reunión del C.E.T.O.P. (Comité Europeo de las Transmisiones Óleo-hidráulicas y Neumáticas), celebrada en Berlín el 11 de junio de 1966, se propuso definir la presión usando como unidad de superficie el cm² y medir la fuerza f sobre dicha superficie, empleando como unidad el kp/cm² (kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado).

1 kp = 9,81 N. De este modo, la presión del aire atmosférico es 1,033 kp/cm² ≈ 1 atm.

Por otro lado, en Washington, durante la reunión del Comité Técnico del ISO ITC, se consideró la implantación del pascal (Pa) como unidad de presión, con sus múltiplos y submúltiplos.

Estos y sus equivalentes son:

Se destacan estas dos modalidades de expresión de la presión porque, mientras en Francia los catálogos suelen definir claramente el bar como unidad de presión, en otros países europeos aún se emplea el kp/cm² en especificaciones técnicas.

Aunque puede afirmarse, sin temor a error, que:

Equivalencia práctica de presión:
1 bar ≈ 1 kgf/cm² (SI)   ó   1 kp/cm² (C.E.T.O.P.)

Diagrama de trabajo de un compresor de pistón

En esta sección se generaliza el ciclo típico de trabajo de un compresor y su rendimiento, con el fin de obtener del diagrama correspondiente la potencia requerida para la compresión. Un compresor aspira aire a presión atmosférica y lo comprime a una presión superior; por ello requiere un motor capaz de vencer la resistencia del aire a ser comprimido. La comparación entre diagramas de dos compresores similares facilita la elección del que presente un diagrama más favorable, lo que se traduce en menor potencia de accionamiento.

En la figura 6-1 se representa el ciclo de trabajo real de un compresor. A la derecha se muestra la actuación de las válvulas durante las carreras de aspiración e impulsión en un cilindro de simple efecto. El desplazamiento D es el volumen barrido por unidad de tiempo por la cara (o caras) del pistón en la primera fase y se expresa en N m³/min. Para un cálculo preciso, y en el caso de doble efecto, debe considerarse el volumen ocupado por el vástago del pistón.

El espacio muerto (o volumen perjudicial) es el volumen residual entre el pistón y el fondo del cilindro, incluyendo las lumbreras de las válvulas, cuando el pistón está en su punto muerto. Se expresa como porcentaje del desplazamiento.

La figura 6-2 presenta una comparación entre el diagrama real y el teórico. El diagrama teórico está delimitado por los puntos 1-2-3-4, y el real por 1-5-6-7. El volumen perjudicial se observa porque el punto 6 no coincide con volumen cero. Los tramos 6-7 representan la expansión del aire contenido en el volumen perjudicial desde el cierre de la válvula de descarga hasta la apertura de la válvula de aspiración.

El contenido de las áreas A, B, C y D se debe a:

• A) Refrigeración (aproxima el ciclo a una transformación isotérmica). Sin refrigeración, el área puede desaparecer.
• B) Trabajo necesario para efectuar la descarga del cilindro.
• C) Trabajo no devuelto por la expansión del volumen perjudicial (absorbido en la compresión).
• D) Trabajo perdido en el ciclo de aspiración.

Las áreas rayadas B, C y D expresan la diferencia de trabajo entre el diagrama teórico y el real en cada etapa. El diagrama corresponde a un compresor de una etapa cuyo ciclo de compresión es rápido, sin tiempo suficiente para disipar el calor, por lo que la compresión sigue aproximadamente una ley adiabática.

La temperatura teórica de descarga para una compresión adiabática viene dada por:

Temperatura de descarga en compresión adiabática

La temperatura absoluta de descarga en un proceso de compresión adiabática se calcula mediante la expresión:

T_d = T_a · R_c^{(γ − 1)/γ}

Donde:

• T_d = temperatura absoluta de descarga, en kelvin (K)
• T_a = temperatura absoluta de aspiración, en kelvin (K)
• R_c = relación de compresión
• γ = exponente adiabático del aire (γ ≈ 1,4)

La relación de compresión se define como:

R_c = Presión absoluta de descarga
――――――――――――――――――
Presión absoluta de aspiración

Todas las presiones deben expresarse en valores absolutos.

Si el compresor es de n etapas, las relaciones de compresión de cada fase son aproximadamente iguales y su valor es:

Relación de compresión por etapa

En un compresor multietapa, cuando la relación de compresión se reparte de forma uniforme entre todas las fases, la relación de compresión por etapa se obtiene mediante:

R_c (por fase) = ⁿ√R_c (total)

Donde:

• R_c (por fase) = relación de compresión de cada etapa
• R_c (total) = relación de compresión total del compresor
• n = número de fases (etapas) de compresión

Esta condición permite minimizar la potencia absorbida y se aplica cuando las presiones se expresan en valores absolutos.

En la práctica, casi todos los procesos de compresión son politrópicos: la temperatura se eleva con la relación de presión y, al aumentar la temperatura, también aumenta el trabajo de compresión.

La potencia adiabática teórica de compresión es:

Potencia adiabática teórica de compresión

W_ta = (2,22 · γ / (γ − 1)) · P_a · Q_a · (R_c^{(γ − 1)/γ} − 1)

donde:

• W_ta: potencia adiabática teórica (CV)
• P_a: presión absoluta en la aspiración (kg/cm²)
• Q_a: caudal de aire en aspiración (m³/min de aire libre)
• R_c: relación de compresión
• γ: exponente adiabático del aire (γ ≈ 1,41)

Para mejorar el rendimiento, la compresión se realiza normalmente en etapas, refrigerando el aire entre ellas con un refrigerador intermedio (aire o agua). La refrigeración intermedia perfecta se logra cuando la temperatura de salida del refrigerador intermedio es igual a la temperatura de aspiración. El consumo mínimo de potencia se obtiene cuando las relaciones de compresión son iguales en todas las etapas. A mayor número de etapas, el proceso se acerca a la isoterma, que es la transformación que requiere menos trabajo.

Los compresores más comunes en el mercado poseen refrigeración intermedia, es decir, son de dos etapas.

El diagrama de la figura 6.3 corresponde a un compresor de dos etapas. La superposición de los diagramas del cilindro de baja presión (I) y del de alta presión (II) muestra que la energía requerida en alta presión es menor que si toda la compresión se realizara en una sola etapa.

En el diagrama total, el aire aspirado en A se comprime en el cilindro de baja presión (I) y luego pasa por el refrigerador intermedio, donde recupera su temperatura inicial. La segunda etapa comienza en B: el aire se vuelve a comprimir en el cilindro de alta (II) hasta la presión final de descarga.

El área rayada Z representa un trabajo perdido que se aplica dos veces al aire: en la expulsión del cilindro de baja presión y en la compresión del cilindro de alta presión.

Para compresores de una etapa, o para la primera etapa de uno de dos, la curva real de compresión queda entre la isotérmica y la adiabática teóricas, aunque suele aproximarse más a la adiabática, reflejando un proceso politrópico:

PVⁿ = constante

El cuadro adjunto muestra la potencia requerida para comprimir 1 m³ de aire libre por segundo a diferentes presiones en un compresor de una etapa, comparando simultáneamente las potencias adiabática e isotérmica teóricas.

Rendimiento de los compresores

Durante la compresión existen pérdidas termodinámicas y pérdidas mecánicas debidas a rozamientos.

El rendimiento teórico describe las desviaciones del ciclo real respecto del ideal, considerando un ciclo adiabático o isotérmico. Se denomina rendimiento adiabático a la relación entre la potencia adiabática teórica de compresión W_ta y la potencia real absorbida:

Para el rendimiento isotérmico, determinando la potencia isotérmica teórica de compresión a temperatura constante W_ti, se tiene:

El rendimiento volumétrico R_v es la relación entre el caudal aspirado Q_a y el desplazamiento D:

Por lo tanto, el aire libre suministrado por un compresor es siempre menor que el desplazamiento.

El rendimiento mecánico R_m es la relación entre la potencia indicada y la potencia en el eje.

Conceptos destacados :

Conceptos destacados: