Preparación del aire en sistemas neumáticos
Figura 1: Filtro regulador lubricador de aire comprimido
El aire comprimido en los sistemas neumáticos a menudo contiene humedad y contaminantes y puede estar a una presión no adecuada para su uso directo, lo que potencialmente daña el equipo aguas abajo. Para acondicionar el aire, pasa a través de filtros, reguladores y lubricadores, que lo limpian y ajustan la presión. Este artículo examina los componentes de la preparación del aire, sus funciones y criterios de selección.
Tabla de contenidos
- Preparación del aire comprimido en un sistema neumático
- Partículas en el aire comprimido y sus consecuencias
- Principios para elegir y conectar unidades de preparación de aire
- Unidades de preparación de aire en un sistema neumático
- Cómo elegir la unidad de preparación de aire adecuada
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Preparación del aire comprimido en un sistema neumático
El aire comprimido es aire mantenido a una presión por encima del nivel atmosférico. Es una fuente de energía vital en los sistemas neumáticos para diversas aplicaciones industriales. La preparación del aire comprimido comienza con el aire ambiente (Figura 2 etiquetada A), que es succionado por un compresor (Figura 2 etiquetada B) que lo presuriza y lo envía a un depósito (Figura 2 etiquetada C) para su almacenamiento. Para asegurar que el aire esté limpio y seco, pasa a través de un secador de refrigeración (Figura 2 etiquetada D) que elimina la humedad. Luego, pasa a través de componentes de preparación de aire (Figura 2 etiquetada E) para eliminar impurezas y mantener suficiente presión (discutido más adelante). Finalmente, el aire preparado se suministra a la máquina (Figura 2 etiquetada F) a través de tuberías.
El aire comprimido viaja a través de varios dispositivos, tuberías y accesorios que pueden introducir contaminantes. La preparación adicional del aire en el punto de uso es esencial, especialmente a largas distancias o en entornos propensos a la acumulación de humedad y partículas.
Figura 2: Componentes del sistema de preparación de aire neumático: aire ambiente (A), compresor (B), depósito (C), secador de refrigeración (D), preparación de aire (E) y máquina (F).
Partículas en el aire comprimido y sus consecuencias
Figura 3: La concentración de contaminantes aumenta muchas veces cuando el aire es comprimido
Un metro cúbico de aire del ambiente tiene muchos componentes que pueden causar problemas en los sistemas neumáticos. Estos incluyen:
- Partículas de suciedad: Podría haber hasta 180 millones de partículas que varían desde 0.01 micrómetros hasta 100 micrómetros de tamaño.
- Agua: La cantidad de agua varía con la temperatura, pero a 50 𐩑C (122 𐩑F), puede haber aproximadamente 80 gramos de agua.
- Aceite: Puede haber hasta 0.03 miligramos de aceite.
- Contaminantes químicos: Los contaminantes químicos incluyen sustancias nocivas como plomo, cadmio, hierro, mercurio y otros.
La Tabla 1 discute las consecuencias de estas partículas en el aire comprimido. Limpiar el aire comprimido es crucial para prevenir daños y asegurar que los componentes funcionen sin problemas. Además, diferentes industrias y aplicaciones especializadas pueden tener sus propios estándares sobre cuán limpio debe estar el aire comprimido.
Tabla 1: Las partículas en el aire comprimido y sus consecuencias
| Partículas | Consecuencias directas | Consecuencias a largo plazo |
| Partículas sólidas: Partículas sólidas como polvo, escamas de óxido o virutas de metal creadas durante la fabricación u otros procesos. | Acumulación y desgaste por partes que rozan entre sí, por ejemplo, entre la pared del cilindro y el sello en el pistón. |
|
| Agua: El aire atmosférico siempre tiene algo de humedad. | Oxidación de componentes que crea partículas de óxido que pueden llevar a daño mecánico o bloquear pasajes estrechos por donde pasan los fluidos. | |
| Aceite: Incluso en compresores que no usan aceite, pequeñas gotas de aceite del aire que se introduce pueden dejar rastros de contaminación por aceite. | Aglomeración de partículas que lleva a secciones transversales bloqueadas. Además, el aceite puede causar que los elastómeros, como los de los sellos, se hinchen. |
Unidades de preparación de aire en un sistema neumático
Las unidades de preparación de aire se refieren típicamente a los diversos componentes instalados a lo largo del sistema para preparar y mantener la calidad del aire comprimido antes de que llegue al punto de uso. Las principales unidades se discuten a continuación.
FRL
Una unidad FRL es un sistema modular de acondicionamiento de aire comprimido que consta de un filtro, regulador y lubricador, diseñado para eliminar contaminantes, ajustar la presión y añadir lubricante al aire comprimido en sistemas neumáticos. Aunque estos componentes se integran frecuentemente en un solo sistema, también pueden encontrarse como unidades separadas, como solo un regulador o un filtro regulador combinado. Los sistemas neumáticos modernos, equipados con componentes autolubricantes, a menudo no necesitan lubricadores.
Filtro
Un filtro elimina contaminantes como polvo, vapor de agua y aceite presentes en el aire comprimido. En algunos sistemas, se necesitan múltiples filtros debido a diversas necesidades:
- El sistema debe eliminar contaminantes de las tuberías o condensación que ocurre durante el tránsito antes de que el aire llegue a cada pieza de equipo.
- Diferentes dispositivos de control o regulación necesitan aire de distintos niveles de limpieza.
- Ciertas aplicaciones, como el empaquetado de alimentos, demandan más que la filtración estándar. Aquí, se necesitan filtros de carbón activado; el aire debe pasar a través de filtros finos antes de llegar a ellos.
Los sistemas neumáticos típicamente usan elementos de filtro que pueden capturar partículas entre 5 a 50 micrómetros (µm) de tamaño. Para alcanzar la calidad de aire que cumple con el estándar ISO 8573-1:2010 [7:4:4], se deben cumplir los siguientes criterios:
- Concentración de partículas: 5-10 miligramos por metro cúbico (mg/m³)
- Finura del filtro: 20-50 µm
Para estándares más altos, el diseño debe adherirse a la especificación ISO 8573-1:2010 [6:4:4]:
- Concentración de partículas: No más de 5 mg/m³
- Finura del filtro: 5 µm
Los elementos del filtro deben reemplazarse regularmente porque se obstruyen con contaminantes con el tiempo, lo que lleva a una reducción del flujo de aire. Una caída en la presión del aire puede ser identificada midiendo la diferencia de presión antes y después del filtro. A medida que un elemento del filtro se ensucia, la caída de presión a través del filtro aumenta (típicamente igual o ligeramente menor a 0.5 bar), indicando el nivel de obstrucción en el elemento del filtro.
Regulador
Un regulador de presión gestiona la presión del aire comprimido en un sistema neumático, asegurando que el equipo aguas abajo reciba aire a la presión correcta. La red típicamente proporciona presión que varía de 6 a 10 bar (87 a 145 psi), que puede fluctuar basado en cuánto aire se utiliza. Para usar el aire comprimido de manera efectiva, cada pieza de equipo debería tener su presión necesaria ajustada usando un regulador de presión separado.
Lubricador
Un lubricador añade cantidades precisas de aceite al flujo de aire comprimido. Los fabricantes de componentes mecánicos se esfuerzan por crear productos que no necesiten lubricación adicional. Esto se logra utilizando materiales apropiados, seleccionando los sistemas de sellado correctos, minimizando la fricción o proporcionando al producto suficiente lubricación permanente en el momento de la compra. Se fabrican grasas especiales para este propósito, destinadas a permanecer en las válvulas o cilindros indefinidamente. Para prevenir que el lubricante se lave, es importante usar aire seco, ya que la humedad puede dañar el lubricante. Este efecto de lavado también ocurre con los lubricadores, por lo que es crucial asegurar que los lubricadores nunca se queden sin lubricante.
Silenciador neumático
Un silenciador neumático (muffler) es un dispositivo adjunto al puerto de escape de un componente del sistema neumático, como una válvula o cilindro, para reducir el ruido creado por el aire comprimido que escapa. Funciona permitiendo que el aire se expanda y se desacelere antes de ser liberado a la atmósfera, lo que disminuye el nivel de ruido. Algunos silenciadores también pueden atrapar o filtrar contaminantes del aire de escape.
Figura 4: Silenciador neumático
Enfriadores posteriores
Los enfriadores posteriores enfrían el aire después de que ha sido comprimido y antes de que entre al secador de aire, lo que ayuda a eliminar la humedad.
Secadores de aire
Los enfriadores posteriores pueden eliminar alrededor del 85% de la humedad del aire de un compresor. Para eliminar aún más humedad, se utilizan secadores de aire después de los enfriadores posteriores, especialmente cuando es importante mantener el aire lo más seco posible a medida que se mueve a través del sistema neumático. Esto es crítico en aplicaciones que requieren aire muy seco, como en procesos sensibles a la humedad, para prevenir la corrosión o para asegurar el funcionamiento adecuado del equipo neumático.
Figura 5: Secador de aire para sistema neumático
Drenajes
Los drenajes eliminan cualquier condensado acumulado de varios puntos en el sistema neumático, especialmente del receptor de aire y los filtros.
Cómo elegir la unidad de preparación de aire adecuada
La preparación adecuada del aire para un dispositivo que utiliza aire comprimido implica tres factores principales:
- Pureza del aire comprimido
- Caudal adecuado
- Presión de trabajo óptima
Pureza adecuada del aire comprimido
El aire limpio ayuda al sistema neumático a durar más y trabajar de manera eficiente, y cumple con las normas para ciertas industrias, como la producción de alimentos. La norma ISO 8573-1:2010 establece la pureza del aire comprimido.
- La clase de pureza se determina por tres factores: partículas sólidas, agua y aceite.
- Para cada categoría de estos contaminantes, la norma especifica la cantidad máxima de contaminación permitida en el aire comprimido.
Cuanto mayor sea el número de la clase, menos puro necesita ser el aire. Los fabricantes de componentes neumáticos como válvulas y cilindros indican el nivel de pureza del aire necesario para que su equipo funcione correctamente. Diferentes aplicaciones necesitan diferentes niveles de aire comprimido limpio para funcionar bien.
Por ejemplo, si un sistema neumático especifica un requisito para la calidad del aire comprimido como 'Clase 2.4.1', significa:
- Para partículas sólidas (primer dígito), Clase 2: El aire debe tener no más de 100,000 partículas/m³ de tamaño ≥ 1 micrón, 1,000 partículas/m³ de tamaño ≥ 5 micrones, y 10 partículas/m³ de tamaño ≥ 10 micrones.
- Para agua (segundo dígito), Clase 4: El aire debe tener un punto de rocío a presión no mayor de +3 °C, lo que limita la cantidad de vapor de agua que puede condensarse en agua líquida a una presión dada.
- Para aceite (tercer dígito), Clase 1: El aire debe contener no más de 0.01 mg/m³ de aceite.
Caudal suficiente
Los caudales suficientes son necesarios para asegurar la operación y velocidad adecuadas de los componentes, por ejemplo, para asegurar que los pistones del cilindro se muevan a las velocidades que se supone deben moverse.
El caudal se decide mayormente por el tamaño de las aberturas en las partes y cómo están diseñadas. Si las partes están diseñadas de manera similar, las más grandes permitirán un mayor flujo de aire. Sin embargo, el caudal puede cambiar basado en la aplicación de estas partes. Por ejemplo, los filtros naturalmente resisten el flujo de aire y pueden reducir el caudal.
Problemas como restricciones de flujo, fugas y tramos largos de tubería pueden causar pérdidas significativas de presión. Para minimizar esto, se recomienda mantener una presión de entrada al sistema de preparación de aire de la máquina que sea un 10-20% más alta que la presión de operación y considerar aumentar el tamaño de las tuberías de suministro si es necesario.
Si se eligen las partes correctas para el trabajo, pero el sistema aún no recibe suficiente flujo de aire, revise los siguientes factores:
- ¿Son los puntos de conexión para el suministro de aire de tamaño insuficiente?
- ¿Hay problemas causados por las líneas de aire largas, tener demasiadas ramificaciones o curvas cerradas?
- ¿Son las superficies internas de las líneas de aire ásperas o están sucias?
- ¿Hay fugas no detectadas en el sistema?
La presión de operación correcta
La presión de operación debe coincidir con la presión necesaria para mover las partes neumáticas. La presión adecuada asegura que el sistema tenga suficiente potencia para operar.
Cada dispositivo que utiliza aire comprimido está diseñado para funcionar mejor dentro de un rango específico de presión. Si la presión es demasiado baja, el sistema no funcionará tan bien como debería. Si la presión es demasiado alta, puede causar que partes como los sellos se desgasten más rápido, usar más energía y hacer mucho ruido. Por lo tanto, es importante considerar posibles caídas de presión al determinar la presión correcta. Estas caídas de presión pueden ocurrir debido a:
- Los dispositivos que usan el aire, como válvulas, filtros y secadores.
- Tuberías largas, ramificaciones, curvas demasiado cerradas, superficies internas ásperas y suciedad en las tuberías.
- Fugas no detectadas.
La presión máxima de un elemento neumático depende de varios parámetros, como el material del alojamiento y los resortes utilizados para el ajuste.