Ingeniería del Aire Comprimido: Componentes, Compresores y Optimización de Sistemas Neumáticos

Ingeniería y Fundamentos de la Neumática Industrial

La neumática se define como la utilización del aire comprimido como medio de trabajo y mando de máquinas en la industria moderna.

Componentes Esenciales de un Sistema Neumático

Un sistema neumático se compone de tres elementos fundamentales:

• Órganos de mando.
• Órganos de trabajo.
• Fuente de energía.

Tipos de Automatizaciones

Las automatizaciones industriales pueden clasificarse según la tecnología utilizada:

• Mecánicas.
• Neumáticas.
• Oleohidráulicas.
• Eléctricas.
• Electrónicas.

Propiedades del Aire Comprimido

El uso de la neumática ofrece diversas ventajas y presenta ciertas limitaciones operativas:

Ventajas de la Neumática

• Económico.
• Transportable y almacenable.
• Estabilidad ante variaciones de temperatura.
• Antideflagrante (seguro en ambientes explosivos).
• Limpio.
• Alta velocidad y fácil regulación.

Desventajas de la Neumática

• Requiere preparación previa (filtrado, secado).
• No se obtienen movimientos homogéneos (debido a la compresibilidad del aire).
• Escape ruidoso (requiere silenciadores).
• Económico solo hasta cierta potencia.

Conceptos Clave de Presión y Compresión

Definición de Presión

La presión es la fuerza con la que actúa un fluido sobre una superficie.

• Presión absoluta: Es la presión comparada con el vacío total.
• Presión relativa: Es la presión comparada con la presión atmosférica (P. atmosférica).

El Compresor: Generación de Aire Comprimido

Los compresores son máquinas que producen aire comprimido. Aspiran el aire del ambiente y lo comprimen hasta que alcanzan la presión requerida.

Clasificación de Compresores

Los compresores pueden ser:

1. Volumétricos (Desplazamiento Positivo): De émbolo, de membrana, de paleta y de tornillo.
2. Dinámicos: Como un turbocompresor axial y radial.

Criterios para la Selección de un Compresor

A la hora de elegir un compresor, debemos tener en cuenta los siguientes factores:

• Capacidad de su depósito.
• Presión de trabajo.
• Lugar de emplazamiento.
• Accionamiento.
• Refrigeración.
• Regulación.
• Gasto energético y mantenimiento.

Fórmula del Volumen Acumulador

El volumen acumulador (V) se calcula mediante la siguiente expresión:

$$V = \frac{0.25 \times Q}{Z} \text{ en } h \times P$$

Optimización y Distribución del Aire Comprimido

Pérdida de Carga en Instalaciones

La pérdida de carga es un fenómeno que siempre hay que evitar en una instalación de aire, ya que disminuye la capacidad de producir trabajo al descender la presión y el caudal.

Dimensionamiento del Diámetro de las Tuberías

El diámetro de las tuberías se debe elegir teniendo en cuenta:

• El caudal.
• La presión relativa.
• La longitud de la tubería.
• La pérdida de carga admisible.

Funciones de la Unidad de Mantenimiento

La unidad de mantenimiento es esencial para que el aire comprimido llegue en condiciones óptimas de limpieza. Sus funciones son:

• Eliminar el vapor de agua y el agua condensada.
• Eliminar impurezas.
• Lubricar el aire.
• Regulación de la presión.

Estrategias de Distribución del Aire Comprimido

Para la distribución eficiente del aire, se deben considerar los siguientes aspectos:

Requisitos de Instalación

El diámetro de las tuberías se debe elegir para que el aumento de la pérdida de presión entre el depósito y el punto de consumo no exceda de 0,1 bar. La colocación de las tuberías debe cuidarse que tenga un descenso en el sentido de la corriente del 1 al 3%.

Clasificación de Tuberías

Las tuberías empleadas para la distribución del aire desde el compresor hasta el lugar de trabajo se pueden dividir en:

• Tubería principal.
• Tubería secundaria.
• Tubería de servicio.

Fórmula relacionada con la pérdida de presión: $A_p = k \cdot p_a / L$