Diseño de un Sistema de aire comprimido para la Empresa ...

, junio, 2018

Departamento: Ingeniería Mecánica

Diseño de un Sistema de aire comprimido para la

Empresa MONCAR de Santa Clara.

Autor: Gabriel Barrera Santos

Tutor: Dr. Feliberto Fernández Castañeda

Cotutores: Ing. Aracely Guerra Mesa

Ing. Roberto Rodríguez Marcial.

Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas,

y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian”

subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos

estudios.

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Teléfonos.: +53 01 42281503-1419

Agradecimientos

Agradecimientos:

Le agradezco a toda mi familia, en especial a mis padres por enseñarme a ser mejor cada día,

gracias a su dirección, comprensión y apoyo en todos los momentos, ya que sin ellos no hubiera

sido posible haber llegado hasta aquí. A mi hermano que siempre ha confiado en mí.

A mi novia, por estar a mi lado en muchos momentos difíciles de mi carrera y en mi vida, y que

solo ella sabía sacarme de ellos ileso. A su familia que también han sabido brindarme un apoyo

absoluto.

A mis amigos, tanto los que conocí en la universida, como los de infancia, que a su manera he

recibido de ellos ese aliento y han sido uno de los pilares importantes durante mi carrera siendo

incondicionales .

A mis maestros, que han sido indispensable en mi formación profesional gracias por su

disposición y ayuda al haberme transmitido sus conocimientos y por haberme señalado

oportunamente mis errores.

A mi tutor Feliberto Fernández Castañeda por la paciencia y el tiempo empleado para la

realización de dicho trabajo. En la empresa MONCAR, a mis cotutores Aracely Guerra Mesa y

Roberto Rodríguez Marcial, por haberme trasmitido todos los conocimientos y experiencias que

poseían sobre el tema, ademas de facilitarme una serie de información necesaria, por lo que no

hubiese sido posible sin su ayuda .

Es dificíl poder resumir todas aquellas personas que influenciaron , acompañaron y tuvieron que

ver de una manera u otra.

A todos muchas gracias.

Resumen

Resumen

El presente trabajo aborda el campo de la neumática y en particular el diseño de una red de aire

comprimido perteneciente a la UEB MONCAR Centro, de Santa Clara. Para ello, se realizó un

estudio sobre el tema de la neumática en general y de los componentes necesarios para una

instalación de este tipo en un taller mecánico. En base a lo anterior se seleccionaron los

principales elementos que conforman el sistema, de acuerdo a las exigencias del taller y a las

condiciones del mismo. En ese sentido se determinó, primeramente, basado en la Norma ISO

8573-1, el flujo de salida de la sala de compresores necesarios, a partir del consumo de aire de

las 24 herramientas a utilizar, arrojando un consumo total de 2.088 m3/min. A partir de esos

valores se determinaron los diámetros de las tuberías y sus respectivas dimensiones, las caídas

de presión y el volumen del depósito de almacenamiento. Además, se determinaron la cantidad

y tipos de accesorios, entre ellos: válvulas, uniones, manómetros, etc. La modelación en 3D y

representación de sistema desarrollado se realizó empleando el diseño automatizado, con el

software CAD SolidWorks 2015. Por último, se realiza una valoración económica y se muestra

toda la documentación técnica para la construcción y montaje del mismo.

Abstract

Abstract

The present work deals with the field of pneumatics and in particular the design of a compressed

air network belonging to the UEB MONCAR Centro, of Santa Clara. For this, a study was made

on the subject of pneumatics in general and the necessary components for an installation of this

type in a mechanical plant. Based on the above, the main elements that make up the system were

selected, according to the demands of the plant and its conditions. In this sense, it was determined,

firstly, based on ISO Standard 8573-1, the output flow of the necessary compressor room, based

on the air consumption of the 24 tools to be used, yielding a total consumption of 2,088 m3 / min.

From these values the diameters of the pipes and their respective dimensions, the pressure drops

and the volume of the air storage tank were determined. In addition, the quantity and types of

accessories were determined, among them: ball valves, unions, manometers, etc. The 3D

modeling and representation of the developed system was carried out using the automated

design, with CAD software SolidWorks 2015. Finally, an economic evaluation is made and all the

technical documentation for the construction and assembly thereof is shown.

Índice

Índice

Introducción……….…………………………………………………………………..….……... 1 Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industria…………….…………..….. 4 1.1 Antecedentes e historia del uso del aire comprimido .................................................. 4 1.2 Conceptos básicos y propiedades físicas del aire.……………………………..……….. 5 1.3 Campos de aplicación de la neumática............…………………………………..……... 7 1.3.1 Comparación de la Neumática con la Hidráulica y la Electricidad ……...……..… 7 1.3.2 Ventajas, inconvenientes y aplicaciones del aire comprimido ………...………….. 8 1.4 Características de las Máquinas de fluido ……………………………..……………….. 9 1.4.1 Algunos tipos de compresores existentes ………………….…………………...… 10 1.5 Selección del compresor ……………………………………………………………….... 12 1.6 Motores neumáticos ………...………………………………..………………………….. 13 1.7 Sistema de aire comprimido.………….………………………………………………….. 13 1.7.1 Descripción general y componentes de una red de aire comprimido ……………. 14 1.7.2 Configuración de las redes de aire comprimido …………………………………... 15 1.8 Producción de aire comprimido …...……………………………………..……………… 16 1.8.1 La calidad del aire comprimido en los sistemas neumáticos ….…..………….….. 16 1.8.2 Riesgos con la utilización del aire comprimido en la industria …..….……………. 16 1.9 Herramientas neumáticas …...…………………………………………………..…..….. 17 1.9.1 Ventajas y desventajas de las herramientas neumáticas ……….……………..…. 17 1.9.2 Parámetros de las herramientas neumáticas ……………………………………... 18 1.9.3 Recomendaciones para el buen uso de las herramientas neumáticas …………… 18 Conclusiones parciales ..........................................…………………………….……. 19

Capítulo II: Metodología para el dimensionamiento de una instalación de aire comprimido……......

20

2.1 Calidad del aire comprimido en la instalación ………………………..……………….… 20 2.2 Procedimiento para el diseño de un Sistema de aire comprimido industrial ………….... 20 Paso No.1 Definición de los parámetros de operación y diseño…………………………… 20 Paso No. 2 Identificación de sistemas y elementos neumáticos …………..…………… 20 Paso No. 3 Determinación de las Presiones de operación ……………..…………….... 25 Paso No. 4 Determinación de los factores para dimensionamiento …………………….. 25 Paso No. 5 Dimensionamiento de la red de aire comprimido ……………..………….... 25 2.3 Costos de la instalación de aire comprimido………………………………………………… 31 Conclusiones parciales …………..………………………………………………..…..... 32

Capítulo III Cálculo y dimensionamiento de la red de aire comprimido para el taller mecánico de

la Empresa MONCAR, de Santa Clara……………………………………………………......….

33 3.1 Clasificación de la calidad del aire comprimido a utilizar en el sistema………….……... 33 3.2 Resultados del procedimiento para el diseño de un Sistema de aire comprimido……….. 34 Paso No.1 Definición de los parámetros de operación y diseño …..…………………… 34 Paso No. 2 Identificación de sistemas y elementos neumáticos ……………………….. 35 3.3 Definición del esquema cinemático para el sistema propuesto…….……………..…….. 36 3.4 Cálculo y dimensionamiento de la transmisión por correa…………............................. 37 3.4.1 Selección o identificación de la correa……………………………………..……… 37 3.4.2 Determinación de los diámetros de pasos de las poleas………………………….. 38 3.4.3 Cálculo de la Velocidad lineal de la correa…………………………………………. 38 3.4.4 Determinación de la distancia entre centros de referencia………………………... 38 3.4.5 Cálculo de la longitud de paso de las correas o bandas……………………..…… 39 3.4.6 Determinación de la distancia entre centros definitiva………………….…………. 39

Índice

3.4.7 Cálculo y comprobación del ángulo de abrazado en la polea menor……………… 39 3.4.8 Cálculo de resistencia de las correas…………………………………………….... 39 3.4.9 Determinación del número de correas necesarias……………………………..….. 40 3.4.10 Determinación de la Pretensión de la correa durante el montaje…………….….. 41 3.4.11 Cálculo de la tensión en la correa debido a la fuerza………………………….... 41 3.4.12 Cálculo de las reacciones sobre los árboles debido a la fuerza de pretensión..... 41 3.4.13Determinación de los principales parámetros geométricos de la polea…………. 41 3.5 Principales características de la Red de distribución de la instalación de aire

comprimido del taller mecánico de la Empresa MONCAR…………………………..….

42 Paso No. 3 Determinación de las Presiones de operación………………………….…. 44 Paso No. 4 Determinación de los factores para el dimensionamiento…………………. 45 Paso No. 5 Dimensionamiento de la red de aire comprimido………………………..… 46 3.6 Costos de la instalación de aire comprimido………………………………………….... 51 3.6.1 Precios de tuberías en el mercado………………………………………………... 51 3.6.2 Precio de equipos, componentes y herramientas del sistema……………………. 52 Conclusiones Parciales……………………………………………………………..…... 54

Conclusiones generales …………………………………………….…………………………….. 55 Recomendaciones………………………………………………………..……………………….. 56 Referencias Bibliográficas………………………………………………...………………………. 57 Anexos…………………………………………………………………….……………………….. 59

Introducción

1

Introducción

El empleo del aire comprimido y sus aplicaciones para el ser humano ha abarcado diferentes

ramas como la medicina, la industria, el movimiento de herramentales, etc. Constituyendo una de

las fuentes más antiguas en las cuales se apoya el hombre para realizar actividades de toda

índole.[1]

El término neumática es derivado del griego Pneumos o Pneuma (respiración, soplo) y es definido

como la parte de la Física que se ocupa de la dinámica y de los fenómenos físicos relacionados

con los gases o vacíos. Es también el estudio de la transformación de energía neumática en

energía mecánica, a través de los respectivos elementos de trabajo.[1]

El primer “compresor de aire” en realidad es el pulmón del ser humano. Como el cuerpo humano

puede exhalar, nuestros antepasados utilizaron su aliento para avivar fogatas pero en realidad

del que sabemos con seguridad que fue el primero que se ocupó de la neumática, es decir, de

la utilización del aire comprimido como elemento de trabajo, fue el griego Ktesibios. Hace más de

dos mil años, construyó una catapulta de aire comprimido. Uno de los primeros libros acerca del

empleo del aire comprimido como energía procede del siglo I de nuestra era, y describe

mecanismos accionados por medio de aire caliente.[1]

A partir de la segunda mitad del siglo XVII se profundizó el estudio y aplicación del aire

comprimido, cuando científicos como Torricelli, Pascal, Boyle y Gay Lussac realizaron

investigaciones sobre los gases. En el siglo XIX se comenzó a aplicar el aire comprimido a la

industria en forma sistemática; herramientas neumáticas, martillos neumáticos, tubos de correo

neumáticos, locomotoras y otras instalaciones auxiliares son ejemplo del desarrollo que se estaba

produciendo. La penetración de la neumática en las áreas de los mecanismos y la automatización

comienza a mediados del siglo XX.[1]

Un largo camino fue recorrido, de las máquinas impulsadas por aire comprimido en Alejandría

donde Herón desarrolló un sistema neumático e hidráulico para abrir las puertas del templo,a las

actuales que combinan neumática y electrónica de nuestros días. Por lo tanto, el hombre intentó

siempre aprisionar esta fuerza para colocarla a su servicio, con el único objetivo: controlarla y

hacerla trabajar cuando sea necesaria.[1]

Actualmente, el control del aire suplanta los mejores grados de eficiencia y velocidad, ejecutando

operaciones sin fatiga, economizando tiempo, herramientas y materiales, además de fortalecer

seguridad al trabajo.[1]

Introducción

2

A pesar de todo esto la irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se

inició hasta que llegó a hacerse más acuciante la exigencia de una automatización y

racionalización en los procesos de trabajo.[1]

En la actualidad, ya no se concibe una instalación industrial sin el aire comprimido. Este es el

motivo por el cual, en los ramos industriales más variados se utilice equipamiento neumático

siendo el aire comprimido la cuarta utilidad industrial junto con el agua, el gas y la energía

eléctrica. A pesar de todo esto el aire comprimido sigue siendo una de las fuentes de energía más

incomprendidas y subvaloradas en las que llega a derrocharse más de un 50% del aire

comprimido.[1]

Las industrias buscan soluciones más eficientes que reduzcan la huella de CO2 en la atmósfera

y el consumo energético, por lo que no son solo los compresores el objeto de análisis en una

instalación de aire o gases; otros elementos que también forman parte de la producción de aire

comprimido son analizados en detalle. Los usuarios se preocupan del tipo de secador que se

instala o de cuál es la pérdida de carga de un filtro saturado.[2]

Esto provoca que los fabricantes traten de estandarizar al máximo todos los avances relacionados

con la reducción del impacto ambiental, usando sistemas de regulación de velocidad variable,

motores IE3, desarrollo de tornillos y rotores más eficientes, etc.[2]

Otro aspecto que adquiere gran relevancia es el análisis detallado de la planta de aire

comprimido. Para producir aire de gran calidad con el menor consumo no solo es necesario

adquirir equipos eficientes, sino disponer de una instalación que también sea eficiente. Para ello,

cada vez son más las industrias que se preocupan por la detección de fugas, diseñar los trazados

de tubería con criterios de máxima eficiencia, reducir los circuitos, curvas y accesorios inútiles,

etc. Se busca que la pérdida de carga sea mínima y poder trabajar con niveles de presión

inferiores.[2]

Teniendo en cuenta lo anterior, surge la necesidad de la Empresa MONCAR de Santa Clara de

desarrollar e instalar un sistema de aire comprimido para el funcionamiento de un grupo de

herramientas neumáticas para labores de chapisteria, pintura, ensamblaje, etc.

Por tanto, el presente trabajo tiene como Objetivo General:

Diseñar la instalación de un sistema de aire comprimido para la UEB MONCAR de Santa Clara

que permita el funcionamiento eficiente de 24 herramientas neumáticas empleadas en el taller

mecánico

Introducción

3

Objetivos Especificos:

1. Realizar una revisión bibliográfica sobre las instalaciones de aire comprimido,sus

antecedentes, generalidades y aplicaciones de los sistemas neumáticos y tecnologías de

compresión.

2. Realizar un estudio sobre las características criterios de diseño de los sistemas

neumáticos industriales y de los elementos que lo conforman.

3. Realizar el cálculo de un sistema neumático para la operación de diferentes equipos

seleccionando los elementos que lo conforman.

4. Elaborar la modelación de la instalación en SolidWorks del sistema neumático diseñado y

la documentación técnica necesaria para su fabricación y montaje.

5. Realizar una valoración económica de la instalacion diseñada.

Tareas:

1. Estudio sobre el tema aire comprimido y sistemas neumáticos industriales, su clasificación

y características de los principales fabricantes a nivel mundial.

2. Recopilación de los criterios de diseño y recomendaciones empleadas para el cálculo y

dimensionamiento de una instalación neumática industrial, los componentes que la

integran en cuanto a modelos, fabricantes,etc.

3. Establecimiento del procedimiento para el diseño de un sistema neumático industrial y

dimensionamiento paramétrico de los componentes que lo integran.

4. Modelación en 3D del sistema neumático diseñado y de los componentes empleando el

software SolidWorks y generacion de los planos respectivos, teniendo en cuenta los

criterios de diseño.

5. Elaboración de la documentación técnica necesaria para la fabricación y montaje del

sistema neumático desarrollado.

6. Valoración económica de la propuesta de diseño.

Capítulo I Estado del arte de los sistemas neumáticos de uso industrial.

4


El aire comprimido es una de las energías más antiguas que se conocen. La aplicación de la

neumática es como consecuencia de una necesidad cada vez más urgente de la racionalización

del trabajo. Se puede definir la neumática como la técnica de aplicación y utilización racional del

aire comprimido. Las características que han contribuido a la gran aplicación del aire comprimido

se exponen en el presente capítulo donde se aborda lo relacionado con el aire viendo sus ventajas

y desventajas cuando es utilizado como flujo de trabajo, las propiedades y purezas que este debe

poseer para el funcionamiento óptimo en el sistema en el cual se utilice, para que permita el

funcionamiento eficiente de los equipos los cuales trabajaran en el taller.

1.1 Antecedentes e historia del uso del aire comprimido

Aunque los rasgos básicos de la neumática están entre los más antiguos conocimientos de la

humanidad, no fue sino hasta finales del siglo XVIII y durante todo el siglo XIX cuando empezaron

a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. Muchos de sus principios ya

eran utilizados por el hombre primitivo. Por ejemplo, la primera aplicación del aire comprimido

consistió en el soplado de las cenizas para reavivar el fuego. El aire empleado había sido

comprimido en los pulmones, a los que podemos considerar como un compresor natural. Produce

cierta impresión conocer la capacidad y el rendimiento de este compresor: Los pulmones son

capaces de tratar 100 L/min o 6 m 3 /h; ejercen una presión de 0,02~0,08 bar. Además, en estado

de salud normal, este compresor posee una seguridad insuperable. Quizás nuestra cultura fuese

muy diferente si nuestros pulmones no hubiesen sido capaces de producir fuego.[3]

Pero el compresor humano resultó inadecuado por completo cuando el hombre comenzó a fundir

metales (~3.000 a.C.). Para alcanzar temperaturas entorno a 1.000ºC se necesitaba un

compresor más potente; este también lo suministraba la naturaleza en el viento que se comprimía

contra una colina y ascendía por sus laderas. Los orfebres egipcios y sumerios inventaron un

método más conveniente y seguro para la producción del aire comprimido que necesitaban para

fundir metales nobles. Empleaban un tubo-soplete, al igual que hacen sus colegas de hoy. Este

resulta adecuado para pequeñas cantidades, pero no para grandes volúmenes.[3]

El primer compresor mecánico, el fuelle manual, fue inventado hacia la mitad del tercer milenio

a.C. y el fuelle de pie no se empleó hasta 1.500 años a.C. Esto ocurrió cuando la fundición de la

aleación de Cobre y Estaño (Bronce) se convirtió en un proceso estable de producción, como

quedó registrado en algunas tumbas egipcias.[3]

Cronología de sucesos históricos importantes en el desarrollo de la neumática:


5

1500 A.C. Fuelle de mano y pie.

1688 Máquina de émbolos.

1762 Cilindro soplante.

1776 Prototipo compresor.

1857 Perforación túnel Mont Cenis.

1869 Freno de aire para FFCC.

1888 Red de distribución de aire en París.[3]

1.2 Conceptos básicos y propiedades físicas del aire.

Se denomina aire a la mezcla de gases que constituye la atmósfera terrestre, que permanecen

alrededor de la Tierra por la acción de la fuerza de gravedad. [4]. En la tabla 1.1 se puede apreciar

los componentes del aire con los valores aproximados de concentración.

Tabla 1.1 Componentes del aire con su respectiva concentración. [5].

Componentes Símbolo Concentración aproximada (en volumen)

Nitrógeno N 78.03 %

Oxigeno O 20.99 %

Dióxido de carbono CO2 0.03 %

Argón Ar 0.94 %

Neón Ne 0.00123 %

Helio He 0.0004 %

Criptón Kr 0.00005 %

Xenón Xe 0.000006 %

Hidrogeno H 0.01 %

Metano CH4 0.0002 %

Óxido nitroso N2O 0.00005 %

Vapor de agua H2O Variable

Ozono O3 Variable

Partículas Variable

Aunque ningún gas real es ideal, muchos de ellos se comportan de manera tan semejante, que


6

sus cálculos como gases ideales proporcionan buenas respuestas en ingeniería. No existe una

línea definida de separación que divida a los gases imperfectos de los ideales o perfectos, pero

el criterio en ingeniería es sencillo: “si las leyes de los gases ideales rinden resultados

suficientemente exactos, la sustancia se considera como un gas ideal; si no es un gas imperfecto”.

Como todos los gases, el aire no tiene una forma determinada. Toma la del recipiente que lo

contiene o la de su ambiente. Permite ser comprimido (compresión) y tiene la tendencia a dilatarse

(expansión).[6] En la tabla 1.2 se muestran algunas características del aire importantes para su

estudio.

Tabla 1.2. Características para el aire.[5]

Características para el aire

Const. de los gases R: 287 (J/kg * K)

Temperatura crítica tK: -140.7 (ºC)

Presión crítica pK: 37.7 (bar)

Densidad (0 ºC, 1.013 bar): 1.29 (kg/m3)

Densidad (15 ºC, 1.013 bar): 1.21 (kg/m3)

Punto de ebullición (1 bar): -193 (ºC)

Punto de congelamiento (1 bar): -216 (ºC)

Peso molecular: 28.96 (kg/kmol)

La presión del aire atmosférico depende de la altura geográfica. Como altitudes de referencia

para la presión y temperatura del aire suelen tomarse las siguientes.[5]

Po=1.013 bar y to = 20 oC O Po = 1.013 bar y to = 0 o C

Entre las propiedades físicas del aire se pueden mencionar las siguientes:

Fluidez: Capacidad de desplazamiento del flujo de aire de un lugar de mayor a menor

concentración sin gasto de energía.

Compresibilidad: Reducción de volumen del aire bajo la presión de una fuerza, hasta un

límite de compresión.

Elasticidad: la presión ejercida en un gas se transmite con igual intensidad en todas las

direcciones ocupando todo el volumen que lo engloba.

Expansión: Aumento de volumen de una masa de aire al verse reducida la presión ejercida


7

por una fuerza o debido a la incorporación de calor.

Volumen: Espacio que ocupa el aire.

Masa: (Presión atmosférica)

Densidad: Es de 1,18 kg/m³ (a 25 °C).

Viscosidad: Es de 0,018 cP (a 20 °C).[4]

1.3 Campos de aplicación de la neumática

La neumática está presente en cualquier proceso industrial que requiera incrementar la

producción. La automatización de los diferentes procesos industriales, releva al hombre de ciertas

actividades, lo que ocasiona posibles pérdidas de puestos de trabajo en las empresas. Por esto,

la sociedad industrial tiene ante sí un reto importante en crear nuevos puestos de trabajo, con

mayor especialización del personal. Resulta paradójico que en los países más industrializados a

nivel mundial las nuevas tecnologías han creado más puestos de trabajo que en el resto. La

progresiva sustitución de la energía humana por la neumática, hidráulica o eléctrica responde

sobre todo al intento de minimizar costos de producción y automatizar los procesos industriales.

De este modo, la neumática se ha convertido en un elemento imprescindible en la automatización

de la producción en todos los sectores industriales [3]:

- Industria del automóvil, aeronáutica, ferroviaria, naval, aeroespacial, maderera.

- Industria textil, del calzado, agroalimentaria, cárnica…

- Producción de energía

- Refinerías e industrias petrolíferas y químicas, siderurgia, minería.

- Industrias de logística, máquinas de embalaje, imprentas y artes gráficas

- Construcción y obras públicas

- Robótica, etc.

1.3.1 Comparación de la Neumática con la Hidráulica y la Electricidad

Algunas de las tecnologías disponibles que pueden realizar funciones similares que la neumática

son la hidráulica y la eléctrica, dependiendo su uso de la aplicación específica que se quiera

realizar. En la tabla 1.3 se pueden apreciar sus ventajas e inconvenientes, tanto en la parte de

control como en la de actuación. [3]


8

Tabla 1.3. Comparación entre diferentes tecnologías disponibles.

Tecnología eléctrica.

Ventajas. Inconvenientes.

Sencillez de los sistemas de mando. Instalaciones no demasiado complejas.

Muy extendida, gran experiencia en el sector. Mantenimiento complejo y laborioso.

Menor tamaño para el control. Baja versatilidad en actuadores.

Tecnología neumática.


Sencillez de los sistemas de mando. Instalaciones caras en general.

Rapidez de respuesta. El acondicionamiento del aire es costoso.

Mantenimiento casi nulo. Económica. Baja complejidad de las instalaciones.

Tecnología hidráulica.


Desarrollo de grandes fuerzas. Instalaciones muy caras en general.

Sencillez de operación. Suciedad alta.

Mejor regulación qué neumática. Velocidad de respuesta muy lenta.

En cuanto al rango de aplicación para las presiones, destacar que la neumática suele usar

presiones promedio de 6~7 bares (90~100 PSI), y la hidráulica alrededor de 70 a 350 bares

(1000~5000 PSI), incluso algunas aplicaciones pueden llegar a los 700 bares. En esta

investigación se eligió la neumática a pesar de las ventajas antes vistas de las otras tecnologías

ya que se va a desplazar la red de aire comprimido por todas las instalaciones del taller para

facilitar el manejo con las herramientas neumáticas a los operarios. [3]

1.3.2 Ventajas, inconvenientes y aplicaciones del aire comprimido:

Ventajas de la Neumática: [4]

Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y fácilmente regulables

Las sobrecargas no constituyen situaciones que dañen los equipos en forma permanente.

La energía puede trasladarse grandes distancias.


9

Insensible a agentes externos como temperaturas , humedad, suciedad, etc.

Fácil transformación de energía, en movimientos rotativos o lineales.

Bajo costo y mantenimiento sencillo de los componentes.

Gran confiabilidad y seguridad bajo condiciones de trabajo extremas.

Desventajas de la Neumática:

Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente empleado.

Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes fuerzas.

Altos niveles de ruido generado por la descarga del aire hacia la atmósfera.

Pérdidas de aire disminuyen el rendimiento.

Dentro de las aplicaciones del aire comprimido en la industria se tienen el manejo de

herramientas: Pulidoras, taladros, martillos, cinceles, así como el atomizado y mezclado de

sustancias, elevación de cargas, accionamiento de frenos y control de procesos.[4]

1.4 Características de las Máquinas de fluido.

Son aquellas que tienen como función principal intercambiar energía con un fluido que las atra-

viesa. Este intercambio implica directamente una transformación de energía. Las máquinas de

fluido se suelen clasificar según varios principios. [7] Según la naturaleza del fluido que las atra-

viesa tal como se puede apreciar en el recuadro de la figura 1.1 se pueden clasificar en:

Máquina hidráulica o máquina de flujo incompresible es aquella que trabaja con flujos

incompresibles. A este grupo pertenecen las máquinas que trabajan con líquidos (por

ejemplo, agua) pero además se incluyen aquellas que trabajan con gases cuando éstos

se comportan como flujos incompresibles, como por ejemplo los ventiladores o aerogene-

radores. Estas máquinas aprovechan únicamente la energía mecánica disponible en el

fluido (cinética y potencial). [7]

Máquina térmica o de flujo compresible es aquella que trabaja con fluidos compresi-

bles, ya sean condensables (caso de la máquina de vapor) o no condensables (como la

turbina de gas). En este caso, sí se aprovecha la energía térmica del fluido, ya que la

energía mecánica se produce mediante la expansión del fluido (incremento de su volumen

específico).[7]

zim://A/Energía.html

zim://A/Fluido.html

zim://A/Máquina_hidráulica.html

zim://A/Máquina_térmica.html


10

Figura 1.1 Clasificación de las máquinas de fluido según la naturaleza del fluido.

Dentro de las máquinas de fluido compresible se encuentra el compresor (figura 1.2) construido

para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles. Al igual que

las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que

son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es

compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura;

a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero

no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.[7]

Figura 1.2 Compresor de aire.

1.4.1 Algunos tipos de compresores existentes.

Existen varias formas constructivas de los compresores de aire, entre ellos:

Compresor a Pistón.

zim://A/Presión.html

zim://A/Densidad.html

zim://A/Ventilador.html


11

Es uno de los más antiguos, pero sigue siendo el más versátil y eficaz. Este tipo de compresor

mueve un pistón hacia delante en un cilindro mediante una varilla de conexión y un cigüeñal. Si

sólo se usa un lado del pistón, se clasifica como una acción única. Si se utilizan ambos lados del

pistón, es de doble acción. (Diego A Ortiz Zapata 2009)[5, 8].(ver figura 1.3)

Figura 1.3. Compresor a pistón.

Compresores rotativos

Son las máquinas que producen aire comprimido por un procedimiento rotatorio y continuo, es

decir, que empujan el aire desde la aspiración hacia la descarga comprimiéndolo. Dentro de los

modelos más difundidos a nivel industrial se encuentran [9]:

Compresores de paletas.

El principio de funcionamiento de estos compresores se ilustra en la figura 1.4. en este caso, el

volumen de aire atrapado en la cámara comprendida entre dos paletas consecutivas se comprime

gradualmente mientras que la rotación del aire irá poco a poco disminuyendo y por lo tanto su

presión aumentará por la progresiva reducción del volumen provocando la correspondiente

compresión.[9]

Figura 1.4. Compresor de paletas


12

Compresores de tornillo. [9]

Esencialmente se componen de un par de rotores que tienen lóbulos helicoidales de engranaje

constante, su diseño ha avanzado de forma considerable demostrando ser compatibles para

satisfacer una amplia gama de caudales que van desde 2,5 hasta 70 𝑁𝑚3/ℎ en compresores de

dos etapas para presiones máximas de trabajo de hasta 10 bares. (ver figura 1.5)

Figura 1.5 Compresor de tornillo

Compresores tipo Roots. [9]

Son compresores de aire de desplazamiento volumétrico, consiste esencialmente de dos rotores

montados en una carcasa y conectados por engranajes (ver figura 1.6).

Figura 1.6 Compresor tipo Roots.

1.5 Selección del compresor.

Los puntos que intervienen en la elección son varios: presión máxima y mínima pretendidas,

caudal necesario, crecimiento previsto de la demanda, condiciones geográficas (altitud,

temperatura, etc.), tipo de regulación, espacio necesario, tipo de refrigeración, accionamiento,


13

lugar de emplazamiento exacto, etc.[3]. La selección del tipo de compresor y de su capacidad son

parámetros críticos en el diseño de una instalación de aire comprimido. Una acertada elección

supone un gran ahorro energético durante el funcionamiento normal de la instalación [10].

En general, se establecen cinco pasos básicos para establecer la capacidad del compresor:

1. Estimar el total de consumos de los dispositivos que emplean aire.

2. Determinar la presión más elevada que requieren estos.

3. Estimar un valor típico de fugas.

4. Fijar las máximas caídas de presión admitidas tanto para los diversos elementos como

para las conducciones.

5. Otras consideraciones que afecten al diseño: condiciones medioambientales, altitud, etc.

Se selecciona el compresor considerando la presión máxima de operación de este como la

Presión necesaria para llegar al punto más alejado de la instalación y aplicándole además un

porcentaje de un 15%. El modelo de compresor dependerá de las exigencias del sistema de aire

comprimido, de la planta y del diseñador de la instalación.[4]

1.6 Motores neumáticos

Los motores neumáticos son unos elementos capaces de transformar la energía neumática en

energía mecánica según un movimiento rotativo. Existen muchas herramientas que funcionan

con aire comprimido y necesitan un motor, por ejemplo, taladradoras. Los motores neumáticos no

solamente son útiles como herramientas de trabajo, también tienen un uso industrial, aunque no

sea lo más común, porque ya existen los motores eléctricos. Sin embargo, en ciertas industrias,

pueden llegar a ser necesarios, por temas de seguridad o higiene. [3]

1.7 Sistema de aire comprimido.

El aire comprimido es la mayor fuente de potencia en el sector industrial. Su aplicación industrial

es muy amplia y algunas aplicaciones son prácticamente imposibles con otros medios

energéticos. Para la generación de aire a una presion de trabajo determinada es necesario

recurrir al uso de equipos diseñados para tal fin como lo son los compresores.[11]

Un sistema de aire comprimido se divide en dos partes: el suministro y la demanda. Del lado del

suministro, se encuentra el paquete de compresión, compuesto por el compresor, el motor del

compresor, controladores y depósitos y equipo de tratamiento del aire, como filtros, enfriadores,

secadores, tanques de almacenamiento, etc. Por el lado de la demanda, están el cabezal

principal, compuesto por las líneas principales de distribución, mangueras, reguladores de


14

presión, válvulas, lubricadores, equipo neumático, etc. [11]

Al planificar y diseñar un sistema de aire comprimido es necesario prever una presión superior a

la red con el fin de poder garantizar el suministro de aire aun cuando se incorporen nuevos

equipos. Por esta razón, es prudente sobredimensionar la instalación para que en una

modificación posterior evitar un gasto considerable o una parada temporal del servicio.[11]

1.7.1 Descripción general y componentes de una red de aire comprimido

Una red de aire comprimido es el conjunto de todas las tuberías que parten del depósito,

colocadas fijamente unidas entre sí y que conducen el aire comprimido a los puntos de toma para

los equipos consumidores individuales como se ve en la figura 1.7. En general una red de aire

comprimido de cualquier industria cuenta con los siguientes 8 dispositivos.[12]

Figura 1.7. Red principal de un sistema de aire comprimido.

1. Equipos de filtración previos al compresor. Son utilizados para eliminar las impurezas del

aire con el fin de proteger al compresor y evitar el ingreso de contaminantes al sistema.

2. Compresor. Es el encargado de convertir la energía mecánica, en energía neumática

comprimiendo el aire. La conexión del compresor a la red debe ser flexible para evitar la

transmisión de vibraciones debidas al funcionamiento del mismo.

3. Equipos de enfriamiento del aire comprimido. Los equipos de enfriamiento son la inversión

más rentable para reducir las altas temperaturas del aire comprimido que sale del compresor. Es

necesario enfriar el aire a 30°C – 35°C antes de que entre al secador o filtro en el tratamiento

posterior del aire comprimido.


15

4. Depósitos. Almacenan el aire comprimido y equilibran las pulsaciones del aire procedente del

compresor, tienen como función principal regular el caudal, evitar cambios bruscos en la presión

y el asentamiento de partículas y humedad.

5. Equipos de filtración en línea. Se encargan de filtrar y eliminar las partículas de polvo del

aire comprimido hasta una calidad adecuada para las aplicaciones conectadas a la red.

6. Secadores. Se utilizan para aplicaciones que requieren un aire muy seco.

7. Red de conductos. Se dividen en conductos principales, que conectan el compresor con el

anillo de distribución, y las tuberías de distribución, desde los que se alimentan las derivaciones

a cada herramienta o punto de consumo

8. Equipos adicionales. Equipos de purga, unidades de mantenimiento (formadas por filtro,

regulador de presión y lubricador), secadores adicionales e instrumentación, medidor de presión,

separador de impurezas, unidad de lubricación y regulador de presión de la línea de tubería. [12]

1.7.2 Configuración de las redes de aire comprimido (ver figura 1.8)

Red abierta. Se constituye por una sola línea principal, de la cual se desprenden las secundarias

y las de servicio. La poca inversión inicial necesaria de esta configuración constituye su principal

ventaja. Además, en la red pueden implementarse inclinaciones para la evacuación de

condensados. La principal desventaja de este tipo de redes es su mantenimiento. [12]

Red Cerrada. En esta configuración la línea principal constituye un anillo. La inversión inicial es

mayor que si fuera abierta. Sin embargo con ella se facilitan las labores de mantenimiento puesto

que ciertas partes de ella pueden ser aisladas sin afectar la producción. Una desventaja

importante de este sistema es la falta de dirección constante del flujo.[12]

Red Interconectada. Esta configuración es igual a la cerrada pero con la implementación de

bypass entre las líneas principales. Este sistema presenta un excelente desempeño frente al

mantenimiento pero requiere la inversión inicial más alta..[12]

Figura 1.8. Tipos de redes neumáticas.


16

1.8 Producción de aire comprimido

Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de

trabajo deseado. El aire comprimido, impulsado de la estación compresora llega a las

instalaciones a través de tuberías. Al planificar el sistema es necesario prever un tamaño superior

de la red, con el fin de poder alimentar nuevos aparatos neumáticos en el futuro. Por ello, es

necesario sobredimensionar la instalación, para que el compresor no resulte más tarde

insuficiente y evitar gastos adicionales superiores. [12]. Es muy importante que el aire sea puro.

La compresión de aire tiene un propósito básico que es el de suministrar un gas a una presión

más alta del que originalmente existía. El incremento de presión puede variar de unas cuantas

onzas a miles de libras por pulgada cuadrada (PSI) y los volúmenes manejados de unos pocos

pies cúbicos por minuto (CFM) a cientos de miles. [12]

La compresión tiene variedad de propósitos:

• Transmitir potencia para herramienta neumática.

• Aumentar procesos de combustión.

• Transportar y distribuir gas.

• Hacer circular un gas en un proceso o sistema.

• Acelerar reacciones químicas. [12]

1.8.1 La calidad del aire comprimido en los sistemas neumáticos

La compresión del aire trae consigo ciertos problemas, ya que al comprimir el aire también se

comprimen las impurezas que éste contiene tales como polvo, hollín, suciedad, hidrocarburos,

gérmenes y vapor de agua. A estas impurezas, se suman las partículas que vienen del compresor

tales como polvo de abrasión por desgaste, aceites coquizados y aerosoles. Además, se suman

las impurezas que contienen las tuberías internamente tales como óxido, residuos de soldadura

y de sustancias hermetizantes que resultan durante el montaje de válvulas. Las impurezas

pueden ocasionar fallos en las unidades consumidoras y dañar la red. [9]

1.8.2 Riesgos con la utilización del aire comprimido en la industria.

Las mangueras de conexión pueden estar sometidas a flexiones, golpes, erosiones, etc.,

lo que puede traer como consecuencia la ruptura de las mismas. [13]

Los escapes de aire comprimido pueden producir heridas por las partículas de polvo

arrastradas, o por la presencia de partículas de agua, y/o aceite. [13]

El uso de presiones inadecuadas puede dar lugar a la ruptura de herramientas o útiles,


17

con el consiguiente riesgo de proyección de elementos. [13]

La conexión de herramientas o equipos, a líneas de gases distintas del aire comprimido

puede dar lugar a escapes del gas en cuestión.

1.9 Herramientas neumáticas.

Las herramientas neumáticas solo necesitan 3 componentes básicos:

1.- Compresor.

2.- Línea de aire.

3.- La herramienta o a accesorio adecuado para su función.

Las herramientas neumáticas funcionan mediante el desplazamiento de aire de una parte de la

herramienta a otra lo más rápidamente posible. [14]

1.9.1 Ventajas y desventajas de las herramientas neumáticas

Las herramientas neumáticas no contienen motores, dependiendo de la herramienta y el fabri-

cante, los precios de compra de herramientas neumáticas son a menudo inferiores a los de sus

contrapartes eléctricas. [14]

Ventajas:

Posibilidad de desarrollar grandes fuerzas, imposibles para la tecnología eléctrica.

Tecnología muy segura: no genera chispas, incendios, riesgos eléctricos, etc.

Tecnología limpia, muy adecuada para la industria alimentaria, textil, química, etc.

Tecnología muy sencilla, que permite diseñar sistemas neumáticos con gran facilidad.

Posibilita sistemas con movimientos muy rápidos, precisos y de gran complejidad.

Desventajas:

Tecnología que requiere de otra maquinaria y equipos (compresores, mangueras, válvulas,

etc.), lo que puede ser un inconveniente.

El funcionamiento de los sistemas neumáticos es ruidoso, ya que el aire comprimido se ex-

pulsa al exterior una vez ha sido utilizado.

Tecnología más costosa que la tecnología eléctrica, pero el costo se compensa por su facili-

dad de implementación y buen rendimiento.


18

Podría decirse que las herramientas neumáticas reúnen mayores beneficios en cuanto a como-

didad y ergonomía, con lo que obtendrás mayor rendimiento evitando retrasos en el proceso y

obteniendo mayores beneficios.

1.9.2 Parámetros de las herramientas neumáticas

Como en toda herramienta, existe una serie de parámetros importantes que definen el diseño y,

la aplicación de las herramientas neumáticas según la necesidad. De hecho, estos parámetros

son los siguientes: [15].

Presión máxima de trabajo: es la que necesita la herramienta y se mide en atmósferas, bares

o libras por pulgada cuadrada (psi). La mayoría de las herramientas neumáticas funcionan a una

presión de 90 psi (6,2 bares); presiones mayores no mejoran el rendimiento, al contrario, algunas

herramientas, el rendimiento decae con presiones superiores a 120 psi. [15]

Caudal o consumo de aire: es la cantidad de aire que debe alimentar a la herramienta y se mide

en metros cúbicos/minuto o litros/minuto o en pies cúbicos/minuto (cfm). Las herramientas rotati-

vas tienden a utilizar más volumen de aire, seguidas por las herramientas oscilantes y finalmente

las pistolas fijadoras, que son, por lo general, las que menos aire consumen. [15]

Potencia: se mide en watts o HP y es el factor determinante para mantener estable el nivel de

revoluciones bajo carga. [15]

Torque: mide la fuerza de apriete y se expresa en libras-pie, Nm o kgm. Las herramientas neu-

máticas son capaces de producir torque máximo aún bajo sobrecarga.[15]

Otras consideraciones como la velocidad libre, sin carga o en vacío (determinada en rpm), el

número de golpes por minuto, el diámetro del orificio para la manguera de entrada de aire (medido

en mm o fracciones de pulgada), el tipo y tamaño de los accesorios de la unidad de

mantenimiento, la ubicación del escape del aire, los niveles de ruido y vibración, y la incorporación

de silenciadores, entre otros, también son fundamentales para una correcta elección de la

herramienta neumática más adecuada. [15]

1.9.3 Recomendaciones para el buen uso de las herramientas neumáticas:

Selección correcta de la herramienta: Es de vital importancia que se seleccione la herramienta

adecuada para cada trabajo.

Relación consumo de aire – capacidad del compresor: El primer requisito a tener en cuenta

es que la capacidad del compresor sea lo suficiente para mantener la marcha normal de la

herramienta. Cuando no es la adecuada, la herramienta perderá poder y rendimiento. [16]

Correcta presión de aire: Para obtener un óptimo rendimiento, la herramienta neumática debe


19

recibir una presión de 6-7 kg/cm2. Menor presión reducirá la potencia y velocidad de la

herramienta. Por el contrario, mayor presión producirá desgaste de los componentes. [16]

Tuberías. Si se utiliza mangueras de goma se deberá verificar periódicamente que su interior no

se deteriore, ya que en este caso se desprenden fragmentos de goma que pueden dañar el

mecanismo de la herramienta.El tamaño de la manguera debe ser el adecuado, y el largo de la

misma no debe exceder a los 5 m. [16]

Mantener la herramienta limpia y lubricada: El óxido y la excesiva condensación son los

peores enemigos de las herramientas neumáticas. Se recomienda el uso de filtro - regulador y

lubricador. El filtro detiene el agua y las partículas arrastradas por el aire. El regulador mantiene

la presión necesaria constante, y el lubricador entrega una película de aceite que entra a la

herramienta durante su uso.[16]

Conclusiones parciales

1. En la revisión bibliográfica realizada se pudo constatar los fundamentos físicos de la

neumática, su evolución cronológica, así como las principales aplicaciones de la misma

en la industria, sobre todo en su uso como fuente de energía en herramientas necesarias

de un taller mecánico.

2. Se realizó una comparación de la neumática con otras tecnologías disponibles se

comprobaron las características y ventajas que ofrece, tales como el logro de mayores

revoluciones, herramientas más ligeras. Lo cual es necesario para facilitar el manejo de

las herramientas neumáticas en el taller.

3. Se describió las características generales de una red de aire comprimido, y de los

dispositivos y elementos que lo componen, en especial del compresor.

4. Del análisis de algunos tipos de compresores que se emplean en la actualidad, se

precisaron sus características y principales elementos a tener en cuenta para su

selección. Entre ellos: presión máxima y mínima pretendidas, caudal necesario,

crecimiento previsto de la demanda, condiciones geográficas (altitud, temperatura, etc.),

tipo de regulación, espacio necesario, tipo de refrigeración, accionamiento, lugar de

emplazamiento exacto, etc.

Capítulo II: Metodología para el dimensionamiento de una instalación de aire comprimido

20


2.1 Calidad del aire comprimido en la instalación:

La suciedad, la humedad y el aceite no deberían estar en el caudal de aire comprimido. Un aire

comprimido contaminado en su sistema puede generar desde simples contratiempos al caos total

en los equipos y en el producto final.[17]

Sobre la calidad del aire la Norma International Standards Organisation (ISO) estableció seis

clases de calidad del aire comprimido que quedaron definidas en la norma ISO 8573-1. [17]

Por la complejidad y la aplicación del sistema de aire comprimido que se diseñó para el Taller

mecánico de la Empresa MONCAR Centro se definió su clase, según la norma ISO 8573-1, para

fabricación general, troquelado de metales, herramientas neumáticas, las cuales son las

empleadas para este proyecto, así como estampación, montaje, pintura y acabado.

2.2 Procedimiento para el diseño de un Sistema de aire comprimido industrial

Paso No.1 Definición de los parámetros de operación y diseño.

Estos valores se establecen en función de las condiciones ambientales, de la situación geográfica

del taller y de los requisitos de presión y temperatura de los consumidores.[18] Las condiciones

normales de operación suelen fijarse en torno a las condiciones ambientales. Se necesita conocer

también la presión mínima necesaria de funcionamiento de la maquinaría neumática, o al menos

estimarla, para poder fijar un valor mínimo de presión necesaria en el suministro de aire (Pmin);

ya que de ella dependerá el dimensionamiento del compresor. En la tabla 2.1 aparecen los

principales parámetros necesarios. [18]

Tabla 2.1. Principales parámetros de operación a tener en cuenta

Parámetros Obervaciones

Presión del aire de admisión En Bar

Temperatura del aire de admisión Temperatura ambiente en ºC

Humedad relativa del aire En porciento

Paso No. 2 Identificación de sistemas y elementos neumáticos.

Como se puede apreciar en el organigrama de la figura 2.1 es necesario establecer la secuencia

de la distribución de los equipos en la instalación de aire comprimido. Posteriormente se valora

si el sistema va a utilizar los filtros propuestos. Para ello se tiene en cuenta la calidad de aire


21

comprimido que se exige, según la norma ISO 8573-1:2001 de aire para aplicaciones industriales

y la utilización de estos equipos de tratamiento de aire en el sistema.

Figura 2.1. Organigrama de una instalación de aire comprimido.

El filtrado previo del aire se realiza con el fin de evitar problemas de mantenimiento, y alargar

la vida útil de la máquina, que el aire penetre en los cilindros del compresor lo más limpio posible,

con ausencia de impurezas y de partículas en suspensión. En la figura 2.2 se puede apreciar las

características de un filtro y sus principales componentes.

Figura 2.2. Filtro neumático.

La Empresa MONCAR, de Santa Clara, cuenta con 4 compresores volumétricos alternativos del

tipo pistón, de ellos, normalmente, trabajarán tres y se usará el cuarto para remplazar en casos

de rotura. Un ejemplo de este tipo de compresor se muestra en la figura 2.3, cuyo principio de

funcionamiento está basado en la ecuación de estado de comportamiento de los gases. Cada

compresor cuenta con manómetro, válvula de seguridad y purga como elementos de seguridad.


22

Figura 2.3. Compresor a pistón

El depósito de almacenamiento .Este depósito evita el funcionamiento continuo de las

máquinas compresoras, logrando una respuesta de suministro de aire inmediata una vez que sea

demandada por las herramientas.

La refrigeración-separador es un intercambiador de calor con agua fría, tiene por función

refrigerar el aire de unos 130 C° hasta 30-35 C° aproximadamente, consiguiendo eliminar por

condensación del orden del 80% del agua contenida en él una vez disminuida la temperatura. En

la figura 2.4 se puede apreciar un ejemplo de refrigerador con todas sus partes. Este en caso de

ser necesario será seleccionado por catálogo.

Figura 2.4. Sistema de refrigeración.

La eliminación de impurezas se lleva a cabo mediante un tratamiento de filtrado dispuesto a la

salida del depósito para eliminar el aceite y otros tipos de partículas sólidas inmersas en el aire.

Equipos de mantenimiento con que contará cada compresor y será seleccionado por catálogo.

El Secado tiene como finalidad eliminar el agua que todavía tiene el aire, siendo luego muy leve


23

la posibilidad de condensado en ese trayecto.

Como se aprecia en la figura 2.5, la red de distribución está constituida por tuberías y

acometidas que llevarán el aire hasta las herramientas. En la presente investigación se proyecta

una red mixta, o sea formada por circuitos cerrados de los que parten algunos ramales.

Figura 2.5. Red de distribución de un sistema neumático.

En los circuitos cerrados los consumos pueden ser atendidos por diferentes caminos

consiguiéndose un reparto de caudales óptimo que produce pérdidas de carga mínimas en las

tuberías y por tanto presiones máximas en las acometidas, adecuándose en todo momento a la

distribución de consumos totalmente cambiantes en este tipo de instalaciones.

El trazado de las tuberías se realizará de forma aérea a partir de una atura de 3.30 metros

saliendo de la central de compresores. Teniendo en cuenta la necesidad de ser cuidadosos con

la garantía de que el aire comprimido llegue a los puntos de consumo sin humedad, cuidando la

vida útil de los equipos neumáticos, se toman una serie de medidas en la red a pesar de los

tratamientos del aire en la central de compresores como se había aclarado anteriormente. Se

destina una pendiente para las tuberías de 1º en dirección al flujo, de manera que el agua que

pudiera condensar sea arrastrada hacia abajo, para lo cual contará con purgas dispuestas de 25

a 30 metros y aprovechando los cambio de pendiente o dirección donde no deben faltar. Las

tuberías irán aéreas por las paredes y apoyadas en ménsulas aprovechando la propia estructura

de la nave, dichos puntos de sujeción se situarán a distancia no mayor de 4 metros.

Las acometidas de la red se ejecutarán siempre por la parte superior de la tubería, conocida como

¨cuello de cisne¨ formando un codo de 180º con el objetivo de dificultar al máximo que el agua

condensada sea arrastrada por el aire hacia el consumo, como se puede ver en la figura 2.6.


24

Figura 2.6. Parte superior de la tuberia ¨Cuello de cisne¨

La columna de la acometida concluirá en su parte inferior en un purgador que elimine el agua que

pudiera condensar y la salida del consumo por tanto se realizará por un lateral de la tubería a

cierta altura, donde previo a la toma para el equipo neumático se instalará un equipo de

mantenimiento consistente en regulador de presión con manómetro, deshumificador y lubricador.

El regulador de presión adecua la presión requerida por la herramienta siempre que esta sea

inferior a la de llegada a este punto. El deshumificador elimina el último vestigio de agua

condensada que pueda llegar a este punto a pesar de las precauciones adoptada.

A la salida de cada equipo de mantenimiento llevará conectada una toma rápida con el fin de dar

a la instalación la mayor facilidad de uso. Estos enchufes tienen la propiedad de abrir su paso en

el momento en que se acopla a ellos la toma de la herramienta y se cierra cuando se desacopla.

Con el fin de suplir la distancia que debe existir entre dicha toma y la herramienta se utilizan

mangueras flexibles que se adaptan a los cambios de dirección y a los posibles movimientos de

los equipos. En la figura 2.7 se puede ver el sistema de purgado final antes de la herramienta

mecánica y también el equipo de mantenimiento con su filtro y su lubricador.

Figura 2.7. Equipo de mantenimiento y purga.


25

El material para las tuberías de aire comprimido, según la bilbligrafía, es el acero al carbono, pero

teniendo en cuenta que el gran inconveniente del acero es su baja resistencia a la corrosión, pues

al contacto con el aire y la humedad se oxida facilmente y puede llegar a destruirse por completo.

Así pues, las tuberías de acero necesitan una protección superficial de galvanizado. Este tipo de

tubería está fabricado en acero soldado longitudinalmente y protegido interior y exteriormente con

un recubrimiento galvanizado, conforme a la Norma UNE EN 10240[19]. Por lo anterior se

propone la utilización de acero galvanizado. Las tuberías deberán estar pintadas según

nomenclatura y conceptos utilizados por la norma IRAM 2507/65.[20]

Paso No. 3 Determinación de las Presiones de operación:

Se determina la presión más elevada (Pmax ) que requieren estos elementos así como la mínima

de funcionamiento de los equipos (Pmin ). Las herramientas neumáticas, que dependerán del

aire de servicios, tienen por lo general una presión de trabajo entre 6-7 bar. Del aire de

instrumentación dependerán los equipos de la planta y las válvulas de control, las presiones

normales de operación en este caso van de los 8-9 bar; un poco más altas que las del aire de

servicios. [18]

Paso No. 4 Determinación de los factores para dimensionamiento:

Las fugas dependen del número y del tipo de conexiones, de la calidad de la instalación, de los

años de la misma y de la presión de trabajo, es difícil determinar un valor esperado de fugas en

la instalación. Como regla general, es de esperar que muchos puntos de consumo con

necesidades bajas tendrán muchas más fugas que pocos puntos de consumo con necesidades

de caudal altas. Instalaciones bien conservadas presentan normalmente fugas que rondan entre

el 2 y el 5% pero las de varios años de servicio pueden llegar al 10%. Si además, las condiciones

de mantenimiento son malas, estas pueden llegar a alcanzar valores del 25%. [18]

Otro factor que se ha de tener en cuenta al diseñar una instalación de aire comprimido es una

probable ampliación de las instalaciones a corto/medio plazo. Por ello se va a sobredimensionar

el tamaño de las conducciones principales entorno a un factor del 10%.[18]

Paso No. 5 Dimensionamiento de la red de aire comprimido.

Para determinar el caudal de sumistro necesario se eligieron las herramientas neumáticas por

catálogo, con sus consumos y presiones de trabajo, teniendo en cuenta un factor de

sobredimensionamiento y fugas, así como un factor de simultáneidad de funcionamiento. Para

las necescidades del taller mecánico de la empresa MONCAR, en consulta con los especialitas

se propusieron las herramientas neumáticas que se muestran en la tabla 2.2 por el catálogo

Ingersoll Rand. [21]:


26

Tabla 2.2. Herramientas por tramos.

Tramos Herramientas Q Cantidad de

unidades

Aspiradoras de aceite (l/min) 2

A-B Atornillador (l/min) 1

Remachadora (l/min) 1

Pistola de pintar (l/min) 1

Atornillador (l/min) 2

B-C Taladro 13 mm (l/min) 1

Llave de impacto 1/4 (l/min) 1


Disco de corte (l/min) 1

Taladro 13 mm (l/min) 1

C-D Pistola de pintar (l/min) 1

Sizalla (l/min) 1

Lijadora (l/min) 1

D-E Atornillador (l/min) 5


TOTAL 24

Determinacion del diámetro de la tuberia

Una influencia directa en el rendimiento de los compresores, de los consumidores y por lo tanto

en los costos de la generación de aire comprimido implica naturalmente también el correcto

dimensionamiento de la red de aire comprimido. [4]. Los criterios más importantes para el

dimensionamiento de la red de aire comprimido son los siguientes: flujo volumétrico, presión de

servicio, largo de la tubería y caída de presión.

Bajo consideración de estos criterios se determinaron los diámetros necesarios para las tuberías

principales y las acometidas por varias variantes, seccionando siempre la red por tramos de

consumo. Utilizando las longitudes de tubería, los consumos de herramientas y caída de presión.


27

Variante No. 1. Enmpleando el Nomograma.

Sobre la base de los diagramas/nomogramas convencionales de Dimensionamiento. manual de

neumática de FMA Pokorny, Francfort (figura 2.8), se calculan los diámetros de las tuberias. Para

ello se parte de la longitud del tubo, marcada en la columna A (longitud M tubo) y se une con una

línea con el valor marcado en la columna B (cantidad de aire aspirado) y se prolonga el trazo

hasta la columna C (eje l). Posteriormente se traza una línea, uniendo el valor de presión de la

columna la línea E(presión) con la columna F (eje 2). Al unir los puntos de intersección de los

ejes 1 y 2 con otra línea se obtiene el valor del diámetro nominal de la tubería, donde esta línea

corta a la columna D en un punto que proporciona el diámetro deseado. [4]

Figura 2.8. Nomogramas convencionales de dimensionamiento.[22]

Variante No. 2. Mediante una expresión analítica[4].

D=√1.6∗103∗𝐿∗𝑄1.85

𝑃∗∆𝑝

5

2.1

Donde¨:

Q: Caudal en m3/s.

P:Presión en Pa.

∆𝑃:Caida de presión que se considera 10 000Pa.

L: Longitud en m.


28

Variante No. 3 Con el empleo de tablas convencionales en las cuales se puede consultar el

diámetro directamente. [4]

En la tabla 2.3 se puede seleccionar el diámetro utilizando el caudal máximo recomendado en

tuberías de aire a presión para longitudes no superiores a 15m. [23]

Tabla 2.3. Diámetro nominal de las tuberías estándar

Analizando el tipo de accesorio por tramos y la longitud del mismo también se puede hallar

el diámetro de la tubería normalizado de acuerdo a los parametros que se relacionan en

la tabla 2.4.[23]

Tabla 2.4 Diámetro según los accesorios empleados.

Determinacion de las pérdidas en las tuberias.

Para calcular las pérdidas de presión singulares es necesario auxiliarse de tablas de datos de los

suministradores. La tabla 2.5 muestra las pérdidas de carga localizadas para distintos elementos

que se pueden encontrar en las instalaciones neumáticas. [4]


29

Tabla 2.5. Pérdidas en kgf/cm2 por rozamientos en accesorios usados en tuberías. [23]

Para los elementos de válvulas y calderas, las pérdidas de presión se estiman relacionando la

pérdida de energía con el término cinético de la ecuación de Bernoulli, mediante el uso de un

coeficiente adimensional que variará.[18]

∆𝑃 = 𝑘𝑣2

2𝑔

2.2

V=𝑄

𝐴 2.3

A=π*R2

2.4

Donde

∆P: Pérdidas producidas en la tubería en metros.

V: Velocidad del flujo en m/s.

K: Coeficiente determinado en forma empírica para cada tipo de punto singular.

G: Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2

Q: Caudal en m3 /s

A: Sección de la tubería en m2

R: Radio de la tubería en m. De este valor sacaremos el diámetro con D= 2R. [18]

Para ello se tuvo en cuenta que el criterio de velocidad para tuberías de aire comprimido se

encuentra de los 6- 10 m/s, aunque en los colectores principales del sistema se puede llegar a

admitir velocidades de hasta los 20 m/s. [18]. Si se fija la velocidad máxima en 10 m/s y la mínima

en 6 m/s se obtienen los diámetros máximos y mínimos respectivamente para los cuales se

cumplen las condiciones de caudal y velocidad.[18]

El coeficiente K depende del tipo de singularidad. En la tabla 2.6 se muestran algunos valores

de las singularidades más típicas:


30

Tabla 2.6. Valor de Coeficiente de singularidad K según tipo de singularidad. [18]

Tipos de singularidad K

Válvula de compuerta totalmente abierta 0.2

Válvula de compuerta mitad abierta 5.6

Curva de 90º 1.0

Curva de 45º 0.4

Válvula de pie 2.5

Emboque (entrada en una tubería) 0.5

Salida de una tubería 1.0

Ensanchamiento brusco 2(1 – ((D1/D2) 2))

Reducción brusca de sección (Contracción) (1 – ((D1/D2) 2)

Cálculo de pérdidas para las secciones de tuberias seleccionadas en la instalación.[18]:

∆𝑝 =1.6 ∗ 103 ∗ 𝑄1.85 ∗ 𝐿

𝐷5 ∗ 𝑃1

2.5

En donde:

∆P: Caída en la presión, en Pa.

L: Longitud de la tubería, en m.

Q: Volumen del aire libre,en m3/s.

D: Diámetro interior del tubo, en m.

P1: Presión absoluta del aire a la entrada del tubo, en Pa.

Depósito de almacenamiento

Algunos de los aspectos a tener en cuenta para la instalación de un depósito de almacenamiento

son los siguientes: [24]:

• Conectar la entrada de aire comprimido en la parte inferior y la salida en la parte superior

como se muestra en la figura 2.9.

• Instalar un manómetro en perfectas condiciones.


31

• Instalar una válvula de seguridad calibrada para la presión del sistema y el flujo total.

• Instalar un purga de condensados confiable en el punto más bajo.

• Instalar válvulas de aislamiento en los puertos de entrada y de salida de aire comprimido.

• Instalarse en un área ventilada.

•

Figura 2.9. Depósito de almacenamiento.

Muchas veces puede resultar necesario acceder a una pronta y orientativa determinación del

volumen de almacenaje, con menores recursos en el conocimiento de los parámetros como en

otros métodos para halla dicho volumen, para cuyo caso suele emplearse la siguiente fórmula.

[25]

Vtq=𝑄∗𝑡

∆𝑝 2.6

Donde:

Vtq : Volumen del depósito de almacenaje [m3]

Q : Flujo nominal requerido [m3/min].

t : Tiempo de almacenamiento.

∆p : Diferencia de presión aceptable en el/los lugares de consumo [bar].

Del análisis de la expresión 2.6 se desprende que cuanto mayor resulte el valor de ∆p admisible

para la instalación, más pequeño y económico resultará el tanque de almacenaje y viceversa.

2.3 Costos de la instalación de aire comprimido

El costo de una instalación de aire comprimido es resultado de varios aspectos, los cuales son

muy importante tener en cuenta. [12]:


32

Costos de adquisición de materiales y maquinaria.

Costos de montaje e instalación.

Costos de mantenimiento.

Costos energéticos.

Los costos de adquisición e instalación son valores fijos. Las Empresas ofrecen precios por cada

metro de tubería de acero galvanizado en función del diámetro calculado previamente. Hay que

tener en cuenta también el costo de los equipos y componentes principales, tales como: los

compresores, secadores, el depósito de almacenamiento y filtros. Así como los filtros en las

conexiones de cada herramienta que incluyen regulador y lubricador según la norma ISO 8573,

que proporciona aire limpio de alta calidad, regula la presión y lubrica las herramientas

neumáticas prolongando su vida útil. [12]

Accesorios como codos, reducidos, válvulas de cierre manual, tes y uniones universales son

necesarias. [12]

Respecto al montaje e instalación, serían costos correspondientes a la mano de obra. Luego se

tendría que tener en cuenta los mantenimientos que se le harían a la red de aire comprimido, todo

lo cual elevaría los costos finales. [12]

Conclusiones parciales:

1. Se realizó un estudio, sobre las herramientas neumáticas y de los principales parámetros de

operación a tener en cuenta para diseñar una red neumática. También se identificaron los

sistemas y elementos neumáticos de la red de aire comprimido.

2. Referente al análisis realizado sobre las presiones de servicio, se constató que, las de trabajo

normal de las herramientas, deben estar en un rango de 6-7 bar y las máximas de operación

entre 8-9 bar. Además, se hizo el dimensionamiento de la red, seleccionando las herramientas

neumáticas por tramos, según las necesidades específicas, que se desarrollen en el taller.

3. Se definieron los procedimientos para la obtención de los diámetros de las tuberías y caídas

de presión en las mismas, así como los aspectos a tener en cuenta para la instalación del

depósito de aire comprimido y el cálculo del volumen correspondiente.

4. Se abordaron los elementos necesarios para realizar un análisis sobre los costos de

adquisición de los materiales y herramientas, el montaje de la red, el mantenimiento posterior

que puede llevar y el consumo energético.

Capítulo III Cálculo y dimensionamiento de la red de aire comprimido para el taller mecánico de la

Empresa MONCAR, de Santa Clara

33

Capítulo III Cálculo y dimensionamiento de la red de aire comprimido para el taller

mecánico de la Empresa MONCAR, de Santa Clara

En este capítulo se realizaron los cálculos para diseñar el sistema de distribución de la red de

aire comprimido para herramientas neumáticas, a utilizarse en el Taller de mecánica de la Unidad

Empresarial Básica MONCAR Centro, de Santa Clara. Para ello se seleccionaron las

herramientas por catálogo para los servicios de desarme de equipos automotrices, reparaciones

mecánicas, pintura, soldadura, chapistería, tramado de direcciones, mantenimiento y servicio de

aceite. Además se determina el caudal de suministro necesario por la central compresora para

este escenario, teniendo en cuenta, una la posibilidad de una futura ampliación del sistema.

La modelación de la instalación y el trazado de la red de distribución del aire comprimido se

realizaron utilizando el software de CAD SolidWorks 2015. Se determinaron los diámetros de

tubería recomendados, así como los accesorios necesarios para tratamiento del aire en su

generación y trayecto hasta las acometidas. Se determinó también la caída de presión debido a

la fricción del fluido en el interior de la tubería, la longitud y accesorios existentes. Los resultados

obtenidos permiten diseñar un sistema que permitirá ampliar y agilizar las operaciones del taller.

3.1 Clasificación de la calidad del aire comprimido a utilizar en el sistema

La calidad del aire es uno de los principales puntos a tener en cuenta para una instalación de aire

comprimido. En el caso del sistema que se propone, por su complejidad y las aplicaciones del

mismo, la calidad se corresponde, según lo descrito en el capítulo II, a la clase No. 4.

En la UEB MONCAR Centro, debido al tipo de servicios que se brinda como: chapistería, montaje,

mantenimiento, etc; la calidad del aire circundante en el área del taller es pésima. A lo que se

añade la polución en el aire ambiental por el grado de impurezas. Por lo cual el aire necesario a

consumir por el sistema debe pasar por un proceso de filtros para eliminarlas. En este sentido,

en la tabla 3.1 se muestran los principales filtros[26],por los que pasa el aire comprimido para la

calidad que requiere el mismo y los principales valores de la eliminación de impurezas tanto

sólidas, para la condensación del agua, así como el aceite y el vapor de aceite, según las

aplicaciones de los sistemas neumáticos y su calidad o clase.



34

Tabla 3.1. Calidad del aire comprimido Norma ISO 8573-1. [26]

Filtro de Sólidos Filtro de Agua Filtro de Aceite

Calidad

Clase

Número Máximo de párticulas por m3

Pto de condensación de la presión

Aceite y vapor de aceite

Calidad

Clase

0.1-0.5 micras

0.5-1 micras

1.0-5 micras 0C mg/m3

0 Según las especificaciones del usuario final 0

1 100 1 0 -70 0.01 1

2 100 000 1000 10 -40 0.1 2

3 No disponible

10 000 500 -20 1 3

4 No disponible

No disponible

1 000 3 5 4

5 No disponible

No disponible

20 000 7 No disponible 5

6 No disponible

No disponible

No disponible

10 No disponible 6

3.2 Resultados del procedimiento para el diseño de un Sistema de aire comprimido

Paso No.1 Definición de los parámetros de operación y diseño.

Los parámetros necesarios para diseñar las redes de distribución del aire comprimido son: la

presión de aire de admisión, la temperatura a la cual va a entrar el aire al sistema, la humedad

que existe en el local donde se instala la red de aire comprimido y la velocidad de circulación del

aire. Los aspectos antes mencionados se pueden apreciar en la tabla 3.2.

Tabla 3.2. Párametros principales de operación.

Condiciones de referencia Valores

Presión del aire de admisión 1 Bar

Temperatura del aire de admisión 25 º C

Humedad relativa del aire 70 %

Velocidad de circulación 8 m/s



35

Paso No. 2 Identificación de sistemas y elementos neumáticos.

Compresores

Asumiendo según los datos técnicos de los compresores existentes en el taller de la UEB

MONCAR, los cuales serán utilizados para el sistema de aire comprimido, se estableció que los

tres compresores activos son capaces de suministrar hasta 2.10 m3/min de aire comprimido. Lo

cual debe satisfacer el flujo que demandan las herramientas neumáticas. Además se debe prever

la necesidad de un cuarto compresor para casos de roturas o mantenimientos.

Para los compresores, se emplerá una toma de aire natural, la cual absorverá dicho aire desde

el exterior del taller. Cada compresor debe tener su tubo de aspiración independiente. En el

mismo es utilizado un interruptor de presión (presostato). El grupo se conecta al alcanzarse una

presión de mínima en bar de presión en el depósito y se desconecta al alcanzar una presión

máxima. En caso necesario, la presión de trabajo del compresor se puede modificar a través del

interruptor de presión. También contendrán manómetros y termómetros los depósitos colectores

de aire comprimido de cada compresor y depósito regulador con el mismo fin.

Casa de Compresores

Despues de realizada la ubicación en planta de los puntos de consumo se define el lugar donde

se coloca la central de compresores. La cual debe estar en el centro de las cargas para lograr un

buen funcionamiento de todas las herramientas neumáticas.

Se instalará los compresores en interiores en una sala cerrada pero bien ventilada, exenta lo más

posible de polvo, suciedad y químicos corrosivos.Serán ubicados a la sombra para tomar aire lo

más frío posible lo cual facilita la decantación de impurezas con lo que se evita que, al menos

una parte, se introduzcan en la red de tuberías. Además una mejor disipación del calor generado

por el compresor, de tal manera que no se produzca un incremento de temperatura ambiente

excesivo. Se procurará que la temperatura de la sala no exceda de 30 a 40 ºC. Para que el

rendimiento del compresor sea máximo, el aire deberá entrar lo más fresco. Además evita la

propagación del ruido generado por la central.

Características de la base del compresor

El compresor será colocado en una superficie nivelada capaz de soportar las cargas combinadas

que actuen en el mismo.

Acceso

El acceso al cuarto de compresores debe permitir realizar la maniobra del compresor con el



36

equipo de traslado (montacargas, grúa o plataforma). El espacio en la periferia del equipo y entre

ellos será el adecuado para realizar las maniobras de mantenimiento, remover o reemplazar

componentes y proveer una ventilación adecuada. La toma de aire del compresor es

recomendable que se realice mediante un tubo de aspiración situado a 3m por encima del nivel

del suelo y la altura libre del local no debe ser inferior a 0.25m y en cualquier caso la distancia

entre el extremo superior de los equipos una vez instalados y el techo será de 0.3m como mínimo.

3.3 Definición del esquema cinemático para el sistema propuesto

Como se planteó anteriormente la instalación consta de tres compresores activos, los cuales

serán movido por un motor eléctrico. En este caso, de acuerdo a la potencia y la velocidad que

demandan los rotores de los compresores (ver tabla 3.3), se seleccionó un motor eléctrico modelo

Y2-112-2, cuyos datos técnicos se muestran en la tabla 3.4.

Tabla 3.3. Datos técnicos de los Compresores de pistón

Parámetros Características

Modelo: N-700-BM NO: 4116 0925 23

Potencia: 4.1 kW Voltaje:220V

Velocidad de los rotores: 853 rpm. Frecuencia: 60 Hz

Caudal: 0.70 m3./min. Presión de trabajo 10 Bar

Capacidad Tanque: 500L Cilindro: ᶲ 80x2

Máxima temperatura ambiente recomendada 40 ºC

Mínima temperatura ambiente recomendada 0 ºC

Tabla 3.4. Motor Eléctrico.

Parámetros Características

Modelo: Y2-112-2 Voltaje: 220V

Potencia: 4.5 kW Frecuencia: 60 Hz

Velocidad: 1750 rpm

Como se puede deducir del análisis de las velocidades de rotación del motor y la que realmente

requieren los compresores, se hace necesario reducir dichas velocidades. En ese caso, se

requiere colocar una transmisión por correas a la salida del motor que reduzca la velocidad hasta

el valor nominal del compresor. Para esas condiciones el esquema cinemático sería el que se

muestra en la figura 3.5.



37

Figura 3.5. Esquema cinemático.

3.4 Cálculo y dimensionamiento de la transmisión por correas:

Potencia del motor (P1)............................ 4.5 kW

Potencia del Compresor (P2)................... 4.1kW

Velocidad de rotación del motor (n1)....... 1750rpm

Velocidad de rotación Compresor (n2)..... 853rpm

La relación de transmisión (Ucor) se calcula por la expresión (3.1)

Ucor. = n1/n2 3.1

Ucor. = 2.05 ≈ 2

Los valores de potencia (PI) y velocidad (nI) del motor fueron tomados de la tabla 10 de los anexos.

3.4.1 Selección o identificación de la correa.

Para seleccionar el tipo de correa de la tabla 2 primeramente se calcula el torque necesario:

T1 = 9550𝑃1

𝑛1 3.2

T1 = 95504.5

1750 = 24.56 Nm.

Con el valor del torque, se selecciona el perfil de la correa en la tabla 2 de los anexos.

En este caso corresponde a una Correa trapezoidal tipo C.



38

3.4.2 Determinación de los diámetros de pasos de las poleas (D1 y D2)

El diámetro de paso de la polea menor D1 se selecciona por la siguiente condición:

D1min ≤ D1 ≤ D1max.

El diámetro mínimo (D1Min)se ofrece en la tabla 2 de los anexos. D1min= 200mm Asimismo, el

diámetro máximo se calcula por la siguiente expresión:

D1max =6∗ 104∗𝑉𝑚𝑎𝑥

𝜋∗ 𝑛1

3.3

La velocidad lineal máxima que admite la correa. Se toma el menor valor de los que se ofrecen

en la tabla 2 de los anexos. En este caso Vmax =25 m/s.

D1max = 272.98 mm

Entonces si D1min ≤ D1 ≤ D1max. Se toma el valor de D1 = 250 mm por la tabla 3 de los anexos.

El diámetro de pasos de la polea conducida se calcula por la ecuación:

D2= 𝑛1

𝑛2 * D1 3.4

D2 = 512.5 mm.

3.4.3 Cálculo de la Velocidad lineal de la correa

La velocidad de la correa se calcula por la siguiente ecuación:

V = 𝜋∗D1∗𝑛1

60000 3.5

V = 22.9 m/s.

Teniendo V1min de 5 m/s por la tabla 3 de los anexos y V1max de 25 m/s sacado de la tabla 2 de los

anexos, se cumple la siguiente condición:

V1min ≤ V ≤ V1max.

3.4.4. Determinación de la distancia entre centros de referencia (ar)

Se calcula la distancia entre centros de referencia por la siguiente ecuación:

ar = 1.5∗D2

√n1

n2

3 3.6

Dando que ar = 605.3 mm y se asume ar = 605 mm.

Se calcula la distancia entre centros mínima (amin):



39

Para ello, la altura de la correa (h) se toma de la tabla 2 de los anexos.

amin = 0.55(D1+D2)+h 3.7

amin = 432.9 mm

Se calcula la distancia entre centros máxima (amax) por la expresión 3.8

amax = 3(D1+D2) 3.8

amax = 2287.5 mm.

Se comprueba con los valores anteriores que se cumple la condición: amin ≤ a ≤ amax.

3.4.5 Cálculo de la longitud de paso de las correas o bandas (L)

Se calcula la longitud de paso de la correa por la ecuación 3.9:

L = 2a+1.57(D1+D2)+(D2−D1)2

4𝑎

3.9

Dando L = 2436.23 mm. Se normaliza su valor por la tabla 4 de los anexos:

L = 2500mm

Se comprueba que L está dentro del rango de L1min =1800 mm y L1max = 10600 mm, ambos valores

tomados de la tabla 2 de los anexos.

3.4.6 Determinación de la distancia entre centros definitiva (a)

a = l+√𝑙2−32(D2−D1)2

16

3.10

Dónde:

l = 4L - 6.28(D2-D1) 3.11

l = 5211.5mm y el valor definitivo de la distancia entre centros (a) es de 637.6 mm.

3.4.7 Cálculo y comprobación del ángulo de abrazado en la polea menor

ϴ = 180 - 57.3(D2−D1)

𝑎 3.12

Sustituyendo en la ecuación 3.12 se obtiene ϴ = 156.16 0

Se comprueba que se cumple la condición de que ϴ ≥ ϴmin =120 0.

3.4.8 Cálculo de resistencia de las correas

Se calcula la potencia que puede transmitir una correa durante un tiempo prolongado.



40

[P] =𝑃0∗ 𝐶0∗ 𝐶𝑙+ ∆𝑃𝑢

𝐾𝑠

3.13

Para ello se determinan primeramente los valores de: P0, Cϴ, CL, ∆Pu y Ks.

La potencia básica Po se obtiene en la tabla 3 de los anexos, con el valor de la V=22.9 m/s. Para

lo que es necesario realizar una interpolación, en este caso.

15−10

2.39−1.82=

15−10.3

2.39−𝑃0

Quedando el valor P0 = 9.42 kW.

Seguidamente se determina el coeficiente que tiene en cuenta la influencia del ángulo de

abrazado (Cϴ):

Cϴ = 1.24(1- е−𝛳

110) 3.14

Cϴ =0.94

Posteriormente se determina el Coeficiente que considera la longitud de la correa (CL).

Para la obtención de CL se tiene que dividir la longitud de paso de las correas (L) con la longitud

de ensayo de la correa (L0). Su valor aparece en la tabla 2 de los anexos. Con este valor se

selecciona el coeficiente CL en la tabla 5 de los anexos. En este caso CL =0.89

Seguidamente se determina la variación de la potencia útil (∆Pu) por la ecuación:

∆Pu =∆𝑇𝑢∗ 𝑛1

9550 3.15

Dónde la variación del torque útil (∆Tu) es igual a 8 (según la tabla 6 de los anexos)

Entonces queda: ∆Pu = 1.47

El coeficiente que considera el régimen de trabajo (Ks) se toma para un régimen de trabajo medio

(150% de sobrecarga), lo cual corresponde a un rango entre 1.1 a 1.3. Por tanto, se toma (Ks =

1.2 de tabla 7 de los anexos). Luego se sustituyen los valores anteriormente calculados y selec-

cionados en la ecuación 3.13 y se obtiene que [P] = 4.6 kW.

3.4.9 Determinación del número de correas necesarias:

Nn = 𝑃1

[𝑃] 3.16

Nn = 0.97 correas.



41

Además, teniendo en cuenta la distribución irregular de la carga el número de correas es afectado

por un coeficiente que tiene en cuenta este aspecto (C

n

), tomado de la tabla 8 de los anexos. Por

tanto, la cantidad definitiva de correas se calcula por la expresión 3.17

N =𝑁𝑛

𝐶𝑛 3.17

N = 0.97. Lo que implica el uso de una sola correa de perfil tipo C.

3.4.10 Determinación de la Pretensión de la correa durante el montaje

Para ello se calculan la fuerza producida por la correa debido a la pretensión inicial

Fi = 780∗ 𝑃1∗ 𝐾𝑠

𝑁∗𝑉∗ 𝐶𝛳 + qm * V2 3.18

Donde la masa de un metro de correa (qm) es de 0.30 kg/m (tabla 2 de los anexos):

Por tanto, Fi = 532.7 N

3.4.11 Cálculo de la tensión en la correa debido a la fuerza Fi:

El valor de la tensión en la correa (σo) se determina por la expresión 3.19, considerando el valor

del área de la sección transversal de la correa, la cual es seleccionada de la tabla 2 de los anexos.

Ac = 230mm2

σo =𝐹𝑖

𝐴𝑐 3.19

σo = 2.3 MPa

Como se puede apreciar el valor de σ0 es mayor que el valor mínimo exigido para las correas

clásicas de 1,6 MPa.

3.4.12 Cálculo de las reacciones sobre los árboles debido a la fuerza de pretensión.

R = R1 = R2 = 2 * Fi * N * sen ( 𝛳

2 ) 3.20

R = 1036.84 kN

3.4.13 Determinación de los principales parámetros geométricos de la polea

Por último, se determinaron los parámetros geométricos para el dimensionamiento de las poleas,

tomados de la tabla 3.6 de los anexos. Las principales dimensiones de la ranura aparecen en la

figura 3.6. Ellos son: ∆ = 5.7, H = 20, t = 25.5 y S = 17.



42

Figura 3.6. Dimensiones de las poleas

Diámetro exterior de la polea conductora De1 = D1 + 2∆

De1 = 261.4 mm

3.21

Diámetro exterior de la polea conducida De2 = D2 + 2∆

De2 = 523.9 mm

3.22

Diámetro fondo de la polea conductora Df1 = De1 – 2H

Df1 = 221.4 mm

3.23

Diámetro fondo de la polea conducida Df2 = De2 – 2H

Df2 = 483.9mm

3.24

Ancho de la polea B = (N - 1) t + 2S

B = 34 mm

3.25

3.5 Principales características de la Red de distribución de la instalación de aire

comprimido del taller mecánico de la Empresa MONCAR

La red de tuberías estará formada por secciones de diferentes diámetros y longitud enlazadas

por elementos de unión.

Tubería principal: La línea de aire que sale del depósito y canaliza el aire, tendrá la mayor

sección. La velocidad máxima del aire es de 8m/s.

Tuberías secundarias: Se ramifican a las zonas de trabajo y de las cuales salen las tuberías de

servicio, la velocidad máxima es de 8m/s.

Tuberías de servicio o bajantes: Son las que alimentan a las herramientas y equipos

neumáticos.

Se debe colocar una válvula de cierre en los ramales principales y secundarios, una purga cada

25m en cada cambio de pendiente o dirección, y una toma de aire en las tuberías de servicio, que



43

se instalarán en la parte superior. Para poder desalojar el agua acumulada dentro de la instalación

se colocará una purga al final de la tubería. También se instalarán válvulas de esfera en algunas

tuberías que abastecen a varias herramientas, con el fin de que éstos puedan ser revisados sin

que ello afecte al resto de la instalación. En la tabla 3.7 se muestran los materiales a ser utilizados

tanto en la linea principal como en las acometidas que van directo a cada toma de uso.

Tabla 3.7. Relación de materiales necesarios.

Materiales y accesorios de red de tuberías Medida Cantidad

Línea Principal

Uniones brida atornillada, con junta de goma 1/2¨ 4

Equipo de mantenimiento Salida 1/2¨ 4

Tubo Acero Galvanizado 1 ¨ 352m (59 tramos de 6m)

Uniones roscadas 1¨ 49

Codo 90° Acero Galvanizado 1¨ 8

T Acero Galvanizado 1¨ 6

Válvula (válvula de paso para aire comprimido ) 1¨ 19

Purgas de condensado 15

Soportes tipo ménsula 90

Universales 10

Acometidas

Tubo Acero Galvanizado 1/2¨ 72 m (12 tramos de 6m)

T (reducido) Acero Galvanizado 1¨- 1/2¨ 24

Cuello de cisne 1/2¨ 24

T Acero Galvanizado 1/2¨ 24

Cuello de cisne 1/2¨ 24

Válvula (válvula de paso para aire comprimido )

Equipo de mantenimiento Salida 1/2¨ 24

Purgas de condensado 24

Tomas rápidas 1/2¨ 24

Mangueras flexibles (caucho o plástico) 1/2¨ 48 m (24 tramos de 2 m)



44

Según la norma UNE 1063 las tuberías que conducen aire comprimido deben ser pintadas de

azul.[27]

Unidades de mantenimiento.

Al montar los componentes de la unidad de mantenimiento se tomará en cuenta la dirección del

flujo, tal como consta en cada uno de ellos mediante una flecha indicadora. Además, las unidades

de mantenimiento también pueden incluir componentes de seguridad y de control.


Al depósito se le incorpora un presostato que controla el caudal proporcionado por el compresor

cuando la presión en él alcanza un valor determinado o desciende por debajo de otro considerado

como mínimo. Llevará también una válvula de seguridad para que en ningún caso la presión

pueda pasar un valor prefijado. En la parte inferior se coloca una purga para eliminar los

condensados que se produzcan al enfriarse naturalmente el aire, dado que su temperatura es

generalmente superior a la del ambiente. Además debe portar un manómetro con una válvula

para cuando este necesite ser verificado. La entrada se efectúa por la parte inferior y la salida por

la superior evitando que el flujo de aire arrastre el agua condensada.

El depósito se construye con chapa de acero recubierta interior y exteriormente con pintura

antioxidante y deberá ser cilíndrico con fondos en forma de sector esférico. El más económico es

el que tiene aproximadamente una altura igual a su diámetro. Sin embargo, para ocupar una

superficie menor de espacio comunmente tienen una altura superior (en el orden de 2 o 3 veces

el diámetro). Deberá cumplir con la Norma Cubana NC 19-02-29 Requisitos generales de

seguridad para recipientes a presión, de la cual se deriva el Resolución Nro 44 del 2014. [28]

Al sistema de aire comprimido que se propone no se le colocarán los equipos de refrigeración y

separación de impurezas, ya que según la clase 4 (Norma ISO 8573-1)[26], que requiere el

sistema con el filtro de la toma de aire del compresor y los equipos de mantenimientos acoplados

antes del uso en cada herramienta, deberá salir con la calidad requerida para las tareas que

demanda el taller con el uso del mismo.

Paso No. 3 Determinación de las Presiones de operación:

En la tabla 3.8 se puede apreciar las presiones de trabajo de cada una de las herramientas

neumáticas que van a ser usadas en la UEB MONCAR para las operaciones a realizarse en el

taller. La mayor presión de trabajo será la de la aspiradora de aceite y la menor la de la pistola

para pintar, mientras que las otras herramientas van a exigir presiones entre 6 y 6.2 bar para

realizar sus labores.



45

Tabla 3.8. Presiones de las herramientas tanto en Psi y en bar.

Herramientas Presión de trabajo(Psi) Presión de trabajo(bar)

Aspiradora de aceite 116 8

Atornillador 90 6.2

Remachadora 90 6.2

Pistola de pintar 80 5.5

Taladro 90 6.2

Llave de impacto 90 6.2

Cizalla 87 6

Lijadora 90 6.2

Disco de corte 90 6.2

Paso No. 4 Determinación de los factores para el dimensionamiento:

Se determinó el flujo de salida de la sala de compresores necesario, a partir del flujo de aire

consumido, según las herramientas que se muestran en la tabla 18, arrojando un consumo de

2.088 m3/min estando afectado por un factor de sobredimensionamiento de 1, pérdidas por fugas

de 0.20 que suman 1.2 y un factor de simultaneidad de 0.60, es decir 60% de las herramientas

que en este caso son 24, trabajando simultáneamente según la tabla 3.9:

Tabla 3.9. Coeficiente de simultaneidad según el número de equipos neumáticos.

No Coeficiente

1 1

5 0.82

10 0.74

15 0.68

20 0.64

25 0.60

30 0.57

40 0.52

50 0.48

En la tabla 3.10 se muestran las herramientas, según el catálogo Ingresoll-Rand, que serán



46

usadas por área, así como el flujo que demanda cada una de ellas en diferentes unidades de

medidas y la cantidad de herramientas por tramos.

Tabla 3.10. Herramientas Neumáticas por tramos. [21]

Tramos Herramientas Q(l/min) Q(m3/min) Q(m3/s) Unidades

A-B

(Chapistería)

Aspiradora de aceite 100 0.1 0.0016 2

Atornillador 85 0.085 0.0014 1

Remachadora 130 0.13 0.0021 1

Pistola de pintar 140 0.14 0.0023 1

B-C

(Mecánica)


Taladro 13mm 110 0.11 0.0018 1

Llave de impacto ¼ 114 0.114 0.0019 1

Llave de impacto ¾ 210 0.21 0.0035 1

Disco de corte 170 0.17 0.0028 1

C-D

(Pintura y

acabado)

Taladro 13mm 110 0.11 0.0018 1

Pistola de pintar 140 0.14 0.0023 1

Sizalla 220 0.22 0.0036 1

Lijadora 110 0.11 0.0018 1

D-E

(Mixto)


Llave de impacto ¼ 114 0.114 0.0019 4

Paso No. 5 Dimensionamiento de la red de aire comprimido.

Determinación del diámetro de la tubería

Los cálculos para determinar el diámetro de tubería necesario se realizaron por la variante No. 2

(mediante la expresión analítica que aparece en el capítulo anterior, utilizando la ecuación 2.1 en

cada sección de la red de aire comprimido. Para esto se tuvo en cuenta en cada tramo los

consumos de aire por las herramientas, la longitud de tubería y la caída de presión necesaria. En

la tabla 3.11 se muestra los resultados obtenidos en mm y en pulgadas, arrojando como promedio

de diámetro para red principal 1 pulgada y para las acometidas ½ pulgadas.



47

Tabla 3.11. Diámetros de las tuberías.

Tramo Ø de la Tubería

mm in

A-B 19.67 0.77

B-C 23.29 0.92

C-D 20.84 0.82

D-E 8.0 1.02

Media 20.26 0.80

Promedio 17.95 0.71

Después de haber seccionado la red de tuberías y tener los diámetros principales según los

cálculos, se normaliza por la tabla 3.12, correspondiente a la Norma DIN 2441. [29]

Tabla 3.12. Diámetros de tuberías comerciales.

DIAMETRO NOMINAL

Pulgadas

DIAMETRO EXTERIOR

mm

DIAMETRO INTERIOR

mm

1/8 10.2 4.9

¼ 13.5 7.7

3/8 17.2 11.4

½ 21.3 14.8

¾ 26.9 20.4

1 33.7 25.6

1 ¼ 42.4 34.3

1 ½ 48.3 40.2

2 60.3 51.3

2 ½ 76.1 67.1

3 88.9 79.2

4 114.3 103.5

5 139.7 128.9

6 165.1 154.3

El espesor de las tuberías fue normalizado por las tablas del Catálogo de Cañerías Schedule



48

(comercial) que se rige por la Norma ASTM A106-99e1 Standard Specification for Seamless

Carbón Steel.[30]. Resultando los siguientes valores:

Para la tubería principal:

Espesor de 3.38 mm Schedule 40

D interior 25.6 mm

D exterior 33.7 mm

Para las acometidas:

Espesor de 2.77 mm Schedule 40

D interior 14.8 mm

D exterior 21.3 mm

Determinación de las caídas de presión

Debido a la fricción del fluido en el interior de la tubería se hizo necesario determinar la caída de

presión, teniendo en cuenta la ecuación 2.5 del capítulo II. Para lo cual se seccionó la tubería, de

forma similar a lo explicado al calcular diámetros de la red de aire comprimido por tramos. La

caída de presión depende del diámetro y longitud de la tubería, del flujo de aire libre, presión de

trabajo, arrojando resultados inferiores a la caída de presión máxima establecida de 0.1 bar,

según lo reportado por la literatura. Para el cálculo de las caídas de presión, la longitud total de

cada uno de los tramos se le suma a las equivalentes de cada uno de los accesorios,lo cual arrojó

los resultados que se pueden ver en la tabla 3.13:

Tabla 3.13. Caídas de presión por tramos

Tramos CaÍda de presión(Pa) CaÍda de presión(bar)

A-B 4920.50 0.049

B-C 6137.09 0.0614

C-D 4923.11 0.0492

D-E 4115.63 0.0412


Aunque no existe una norma general para dimensionar depósitos, estos se deben diseñar

teniendo en cuenta la demanda y el tamaño del compresor, utilizando los arranques por hora y

los tiempos máximos de funcionamiento del compresor como parámetros de diseño. [4]. Se

calculó el volumen de este depósito regulador, como también se le conoce al depósito de

almacenaje de una red de aire compromido por la expresión 2.6, obteniendo un valor de volumen

igual a 1.26m3 que equivale a 1260 l.

Luego se normalizó el volumen del depósito de aire comprimido por el catálogo Puska (Para

estanques de aire comprimido).(Puska 2016)[31], arrojando los resultados que se muestran en la



49

tabla 3.14. En la figura 3.7 se puede apreciar las principales dimensiones del depósito.

Tabla 3.14. Datos técnicos del depósito de almacenamiento.

Modelo Volumen

(l)

Presión

(bar)

A B C D E F Peso

(kg)

DV-1000 / 12 + KiT 1000 12 2315 800 1710 2‘‘ 18 975 204

Figura 3.7 Dimensiones del depósito de almacenamiento.

En la figura 3.8 se muestra el modelo tridimensional del sistema de aire comprimido del

taller mecánico MONCAR, de Santa Clara. Para ello se utilizó el software CAD SolidWorks

2015. La red consta de los 4 compresores que se muestran, de ellos solo 3 funcionarán

regularmente. El 4to compresor (representado en color rojo en la figura 3.8) es de reserva

para emplearse en casos de roturas y poder mantener el flujo y presión de aire que

requiere el sistema. Además, se van a colocar válvulas de cierre por todas las tuberías,

como se puede ver en la figura. Esto se hace necesario para los casos que haya que

detener una o más herramientas, por rotura o mantenimiento del equipo, y cerrar el flujo

de aire que llega a ese puesto de trabajo, mientras los otros pueden continuar en sus

funciones. El sistema está dividido por tramos, como se indica en la figura los cuales,

salen cada uno de la casa de compresores.



50

Tra

mos

A-B (Chapistería) B-C (Mecánica general) C-D (Pintura y acabado) D-E (Mixto)

Herr

am

ien

tas

1 - Aspirador de aceite y remachador 2 - Remachador 3 - Pistola de pintar 4 - Aspirador de aceite

5 - Atornillador 6 – Taladro 13 mm 7 – Llave de impacto ¼ 8 – Llave de impacto ¾ 9 – Disco de corte 10 – Atornillador

20 – Taladro 13 mm 21 – Pistola de pintar 22 – Cizalla 23 - Lijadora

11 – Llave de impacto ¼ 12 – Atornillador 13 – Atornillador 14 – Llave de impacto ¼ 15 – Atornillador 16 – Llave de impacto ¼ 17 – Atornillador 18 – Atornillador 19 - Llave de impacto ¼

Figura 3.8. Modelo 3D de la instalación de aire comprimido del taller.

Las dimensiones de la red de aire comprimido y la ubicación en el taller de los diferentes tramos,con sus nombres por áreas de trabajo, se pueden apreciar en la figura 3.9,dichas dimensiones dependen del área específica definida por la empresa para cada operación. El tramo A-B que comprende las operaciones de chapisteria, ocupa un área aproximada de 41m x 16m y se le colocarán 4 tomas para 5 herramientas. En la toma no.1 se conectan un aspirador de aceite y un remachador. mientrras que en el resto irian un remachador, una pistola de pintar y otro aspirador de aceite. El tramo B-C es el destinado a las operaciones de mecánica en general: desarme de equipos y piezas, mantenimiento, etc. Ella ocupa un área aproximada de 62m x 7m, con 6 tomas para 6 herramientas: atornillador, taladro 13 mm, llave de impacto ¼, llave de impacto ¾, disco de corte y atornillador. El tramo C-D es el de pintura y acabado y a su vez el de menores dimensiones, con una superficie de 23m x 20 m con 4 tomas para 4 herramierntas: Taladro 13 mm, Pistola de pintar, Cizalla y Lijadora. Por último, el tramo D-E es el tramo mixto, ya que es el de mayor superficie, ocupando un área aproximada dentro del taller de 62m x 7m, a lo que se le unen los ramales que llevan el suministro de aire a otros locales. En este tramo se colocan 9 tomas para 9 herramientas: 5 Atornilladores y 4 Llaves de impacto ¼.



51

Figura 3.9 Dimensiones de la red

3.6 Costos de la instalación de aire comprimido.

3.6.1 Precios de tuberías en el mercado.

Empresas como AC Grupo distribuidor eléctrico S.L. ofrece precios para tuberías de acero

galvanizado de 3m, valoradas en función del diámetro calculado (ver tabla 3.15)



52

Tabla 3.15. Costo de la tubería en función del diámetro.

Diámetro(mm) Tubería de 3m (Costo en €)

Tubería de 3m

(Conversión en USD)

12.75 25 29.5

24.5 40 47.45

36 65 77.11

53.1 100 118.63

68.9 130 154.21

80 150 177.94

80.1 150 177.94

*Considerando una tasa de conversión de 1€ = 1.18USD

Para la red de aire comprimido de la empresa MONCAR el diámetro de tubería necesario para la

red principal es de 1 pulgada (24.5 mm), por lo que el costo por unidad sería de 47.45USD.

Considerando que la longitud total de las tuberías de una pulgada que se necesita es de 323.8m,

entonces el costo de tuberías de acero galvanizado tendría un valor de 5 121.4USD.

De manera similar se necesitan 77.74m de tubos de ½ pulgada, lo que representa un costo total

de 2293.3USD de tuberías de ese diámetro

3.6.2 Precio de equipos,componentes y herramientas del sistema (ver tabla 3.16 y 3.17)

Tabla 3.16. Precios de los equipos y componentes principales.

Elemento Cantidad Precio/Unidad (USD)

Costo total (USD)

Compresor.[31] 4 2 950 11 800

Depósito de almacenaje.[32] 1 1 750 1 750

Equipo de mantenimiento.[33] 24 71.64 1 719.36

Válvulas de paso.[34] 15 11.5 172.5

Mangueras flexibles(3.85m). [35] 24 1.25 30

Total 15 471.86

Entre las distintas marcas y modelos de accesorios como codos y Tes que se ofertan en el



53

mercado a diferentes precios, se constató que los mismos oscilan alrededor de los 20€ por

unidad. En la red de aire comprimido que se propone se definieron 8 codos de 90° de 1 pulgada

y 30 tes. De estas últimas se necesitan 23 tes reducidas (de 1 a ½ pulgada) y 7 una pulgada. El

costo total de estos accesorios será de 760€ que representan a su vez 896.8 USD.

Tabla 3.17. costos de las herramientas neumáticas de la instalación.

Herramientas neumáticas Cantidad Precio/unidad (USD)

Costo total

(USD)

Aspiradora de aceite.[36] 2 75 150

Atornilladora(1000 rpm).[37] 8 11.033 88.24

Remachador.[38] 1 35.67 35.67

Pistola de pintar(100ml).[39] 2 56.64 113.28

Taladro 13 mm(800rpm).[40] 2 20 40

Llave de impacto de 1/4 y ¾.[41] 6 42.39 254.34

Disco de corte (20000rpm).[42] 1 107.7 107.7

Cizalla.[43] 1 34.37 34.37

Lijadora orbital.[44] 1 58.95 58.95

Total 24 882.55

Algunas de las herramientas neumáticas que aparecen en la tabla 25 también constan de un

conjunto de accesorios como: el vaso para la pistola de pintar, el disco de corte, accesorios

métricos de las llaves de impacto,entre otros. Los cuales generan también un costo adicional que

debe considerarse para la instalación.

Además se tendrían otros costos de montaje, elementos de fijación como: tornillería, bridas,

soportes, regletas, pintura, mano de obra, etc. Todo lo cual incrementaría el costo final, sin tener

en cuenta los mantenimientos periódicos a realizar durante el funcionamiento de la instalación.

No obstante, en la valoración económica preliminar realizada en el presente trabajo el costo que

implica la compra en el mercado exterior de las tuberías y accesorios, así como de los útiles,

herramientas y equipos neumáticos arroja un valor 24 665.94USD.



54

Conclusiones Parciales

1. A partir de establecido por la norma ISO 8573-1 sobre la calidad del aire del sistema

neumático se definieron los 4 filtros de los compresores y los 24 filtros antes de la toma de

cada herramienta que sustituyen los equipos de refrigeración y separación de impurezas,

así como colocar el sistema de purgado cada 25 metros de separación.

2. Teniendo en cuenta las condiciones del taller y la cantidad de herramientas neumáticas

posibles a emplear simultáneamente se determinaron los parámetros de operación de la red:

una presión de un bar, un flujo de consumo de 2.08m3/min, un volumen para el depósito de

almacenamiento de 1000L y 3 compresores de 2.10m3/min que satisfacen la demanda.

3. Se seleccionó un motor eléctrico modelo Y2-112-2 de 4,5 kW y 1750rpm y se diseñó una

transmisión por correas trapezoidal para garantizar las necesidades de potencia y reducción

de velocidad de los compresores N-700-BM,

4. Se calcularon las dimensiones de las tuberías, definiendo para la red principal una pulgada

y para las acometidas ½ pulgadas. Además se determinaron las caídas de presión para

cada tramo, en los que fueron seccionadas las tuberías, constándose que los valores

calculados fueron menores que el máximo permitido de 0,1 bar.

5. Se realizó la modelación tridimensional de la red empleando el SolidWorks 2015 que permitió

diseñar, analizar variantes de forma rápida y precisar las dimensiones del sistema

Conclusiones generales

55

Conclusiones generales

Se determinaron los parámetros de operación del sistema neumático de acuerdo a las

necesidades del taller mecánico de la empresa MONCAR, de Santa Clara: una presión de

un bar, un flujo de consumo de aire de 2.08m3/min, un volumen para el depósito de

almacenamiento de 1000L y tres compresores de 2.10m3/min

En base a los parámetros de operación se seleccionaron los componentes y equipos de la

red de aire comprimido. Entre ellos: 4 compresores de pistón de modelo N-700-BM con

una presión de trabajo de 10 bar y un caudal de 0.70 m3/min cada uno, lo cual satisface la

demanda de las 24 herramientas.

Se realizó el diseño automatizado del sistema neumático red con el empleo del programa

Solidworks 2015, lo que permitió, de forma rápida y precisa, analizar variantes. de

configuración de la red y tomar decisiones en cuanto a la distribución espacial de los

equipos, sus componentes y accesorios y las y las dimensiones de las tuberías.

Una valoración económica preliminar del costo de la instalación fue realizada, basada

fundamentalmente en el costo de los equipos neumáticos, componentes y accesorios en

el mercado exterior. Lo que arrojó un valor de 24 665.94 USD de la red, sin tener en cuenta

otros gastos que incrementaría el costo final (montaje, elementos de fijación, mano de

obra, mantenimiento entre otros).

Recomendaciones

56

Recomendaciones

Que se proceda a la construcción de la instalación de aire comprimido en el taller

mecánico de la empresa MONCAR teniendo en cuenta los criterios de diseño

desarrollado en el presente trabajo

Que se continúe la investigación para establecer el sistema de mantenimiento de la

instalación de aire comprimido para el taller mecánico, a partir de los resultados que

aquí se brindan.

Referencias Bibliográficas

57


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[22] Pokorny,"manual de neumatica ,fma pokorny francfort," ed. https://books.google.com.cu/ books?id=0WEqS_jExk8C&pg=PA40&lpg=PA40&dq=manual+de+neumatica+,fma+pokorny+francfort&source=bl&ots=0f4VJDwcHI&sig=NP8z-AVin0XfXC4beiv0lXf1qQo&hl=es-419&sa=X&ved=2ahUKEwjojZ3s-vjaAhWQuVMKHRU6B5MQ6AEwAHoECAAQLg#v= onepage&q=manual%20de%20neumatica%20%2Cfma%20pokorny%20francfort&f=fals, 2017.

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[31] Puska. Catálogo de tarifas, Puska. Disponible: http://www.puska.com/content /dam/brands/Puska/Puska/Catalogo_tarifa_PUSKA_2016_tcm1063-3551051.pdf, 2016.

[32] Puska, "Tecnología en al que puedes confiar. Puska," ed. http://suministrossercoin.com/


59

pdf/puska-catalogo-2012.pdf, 2012.

[33] Adajusa.es. Equipo de mantenimiento. Disponible: https://adajusa.es/grupos-de-filtraje-de-12/grupo-de-filtraje-de-12-metalico-mindman-403.html, 2018.

[34] Aidaba. Válvula de paso. Disponible: https://spanish.alibaba.com/product-detail/tee-flanged-ball-control-price-pneumatic-actuator-ball-valve60672961085.html?spm =a2700.8699010.29.11.f2b6265eJVwyt5, 2018.

[35] Alibad.com. Mangueras flexibles. Disponible: https://spanish.alibaba.com/g /pneumatic -hose.html, 2018.

[36] Alibad.com. Aspiradora de aceite Disponible: https://spanish.alibaba.com /g/pneumatic-oil-extractor.html, 2018.

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[38] Yousailing.Remachador. Disponible: https://es.aliexpress.com/popular/pneumatic-riveter. html, 2018.

[39] Pakmantools. Pistola de pintar. Disponible: http://pakmantools.com/32-pistolas-para-pintar, 2018.

[40] Alidaba.com.Taladro. Disponible: https://spanish.alibaba.com/product-detail/3-8-inch-pneumatic-hand-air-drill-60670322316.html?spm=a2700.8699010.29.10.2bd8607 fathnVB&s=p, 2018.

[41] Sears. Llave de impacto. Disponible: http://www.sears.com/es/us/tools-air-compressors-air-tools-impact-wrenches/b-1025264, 2018.

[42] M. libre.Sierra de corte. Disponible: https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-455154902-sierra-de-corte-neumatica-sfp22-schulz-_JM, 2018.

[43] Amazon.es.Cizalla. Disponible: https://www.amazon.es/Bahco-BP811-Cizalla-Neum% C3%A1tica/dp/B00RPC6AHI, 2018.

[44] M. libre. lijadora orbital Disponible: https://listado.mercadolibre.com.ec/industrias-oficinas-lijadoras/herramientas-lijadora-roto-orbital-neumatica-oferta, 2018.

Anexos

59

Anexos

Tabla 1. Coeficiente que considera el régimen de trabajo (Ks)

Tipo de carga

Tipo de motor

Motor hidráulico

Motor eléctrico o turbina

Motor de combustión interna

Uniforme (Agitadores, ventiladores,

transportadores con carga ligera y uniforme) 1,0 1,0 1,2

Choque moderado (Máquinas herramienta,

grúas, transportadores pesados, mezcladoras

de alimento y molinos)

1,2 1,3 1,4

Choque pesado (Prensas de troquelado,

molinos de martillos, transportadores alternos,

accionamientos de molino de rodillos)

1,4 1,5 1,7

Tabla 2. Parámetros de las correas trapezoidales

Tipo de Correa

b0 (mm)

b (mm)

h (mm)

A (mm2)

Lo (mm)

Lmin (mm)

Lmáx (mm)

D1min (mm)

T1 (N·m)

qm (kg/m)

Vmáx (m/s)

Z 8.5 10 6 47 1320 400 2500 63 Hasta 25 0.06 25

A 11 13 8 81 1700 560 4000 90 11-70 0.10 25

B 14 17 10.5 138 2240 800 6300 125 40-190 0.18 25

C 19 22 13.5 230 3750 1800 10600 200 110-550 0.30 25

D 27 32 19 476 6000 3150 15000 315 450-2000 0.62 30

E 32 38 23.5 692 7100 4500 18000 500 1100-4500 0.90 30

F 42 50 30 1170 8400 6300 18000 800 >2200 30

SPZ 8.5 10 8 56 1600 630 3550 63 Hasta 150 0.07 40

SPA 11 13 10 95 2500 800 4500 90 90-400 0.12 40

SPB 14 17 13 158 3550 1250 8000 140 300-1500 0.20 40

SPC 19 22 18 278 5600 2000 8000 224 >1200 0.37 40

Anexos

60

Tabla 3. Valores de la potencia básica Po para las correas

Tipo de

Correa

D1

(mm)

Po (kW) para velocidades de la correa (m/s)

5 10 15 20 25 30

Z

63 0.49 0.82 1.03 1.11 - -

80 0.62 1.07 1.41 1.6 1.65 -

100 0.7 1.24 1.67 1.97 2.1 -

112 0.78 1.32 1.8 2.12 2.3 -

A

90 0.84 1.39 1.75 1.88 - -

112 1.05 1.82 2.39 2.74 2.82 -

140 1.23 2.18 2.91 3.44 3.7 -

160 1.32 2.35 3.2 3.8 4.12 -

B

125 1.39 2.26 2.8 - - -

140 1.61 2.7 3.45 3.83 - -

180 2.01 3.51 4.66 5.44 5.76 -

224 2.26 4.05 5.45 6.5 7.05 -

C

200 2.77 4.59 5.8 6.33 - -

224 3.15 5.35 6.95 7.86 7.95 -

250 3.48 6.02 7.94 9.18 9.6 -

280 3.78 6.63 8.86 10.4 11.1 -

D

355 6.74 11.4 14.8 16.8 17.1 -

400 7.54 13 17.2 20 21.1 -

450 8.24 14.4 19.3 22.5 24.6 -

500 8.8 15.5 21 25 27.5 -

SPZ

63 1.5 1.8 1.85 - - -

80 2.34 3.06 3.5 3.66 - -

100 2.92 3.95 4.72 5.2 5.35 -

112 3.2 4.35 5.25 5.85 6.15 -

SPA

90 2.57 - - - - -

112 3.72 4.88 5.61 5.84 - -

140 4.7 6.3 7.56 8.25 8.43 -

160 5.17 7.03 8.54 9.51 9.94 -

SPB

140 5 6.37 - - - -

180 6.7 9.05 10.6 11.41 11.5 -

200 7.3 10 13 14.9 15.1 -

250 8.5 11.6 14.1 11.5 16.8 -

SPC

224 9.4 12.3 14.1 - - -

250 10.6 14.2 16.6 17.6 17.1 -

280 11.5 16.3 18.7 20.5 20.7 -

315 12.8 17.4 20.9 23.2 23.9 -

Anexos

61

Tabla 4. Algunas longitudes normalizadas de las correas (mm)

400 710 1250 2240 4000 7100 12500

450 800 1400 2500 4500 8000 14000

500 900 1600 2800 5000 9000 16000

560 1000 1800 3150 5600 10000 18000

630 1120 2000 3550 6300 11200

Tabla 5. Valores de Cl para correa trapezoidal

Correa L

Lo 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 2

Clásica CL

0.79 0.82 0.86 0.89 0.95 1 1.04 1.07 1.10 1.15

Estrecha 0.8 0.85 0.89 0.91 0.96 1 1.03 1.06 1.08 1.12

Tabla 6. Valores de Tu en N·m.

Correa UCo

1.08-1.13 1.14-1.19 1.2-1.3 1.31-1.4 1.41-1.6 1.61-2.39 2.4 Z 0.15 0.23 0.3 0.35 0.38 0.4 0.5

A 0.4 0.6 0.8 0.9 1 1.1 1.2

B 1.1 1.6 2.1 2.3 2.6 2.9 3.1

C 2.78 4.3 5.8 6.6 7.3 8 9

D 9.94 15.4 21 23 26 28.4 31.9

SPZ 0.6 0.9 1.2 1.4 1.5 1.7 1.8

SPA 1.4 2.1 2.8 3.1 3.5 3.8 4.2

SPB 2.65 3.97 5.3 5.96 6.63 7.29 8

SPC 5.3 10 14 16 17.6 19.4 21

K 0.2 0.3 0.44 0.5 0.55 0.6 0.7

L 1.8 2.7 3.6 4 4.5 5 5.4

M 13.8 20.7 27.6 31 34.5 38 41.4

Tabla 7. Coeficiente KS para un turno de trabajo

Régimen de Trabajo

Tipo de Máquina KS

Ligero (120% SC)

Generadores eléctricos, ventiladores, bombas y compresores centrífu-

gos, transportadores por cinta, máquinas de corte continuo: tornos, tala-

dradoras y rectificadoras.

11.2

Medio (150% SC)

Bombas y compresores de pistón con tres y más cilindros, transportado-

res por elementos de acero articulados, máquinas automáticas. 1.11.

3

Pesado (200% SC)

Mandos reversibles, máquinas cepilladoras y ranuradoras, bombas y

compresores de pistón con uno o dos cilindros, transportadores sin fin y

elevadores, prensas de tornillo y excéntricas con volantes relativamente

pesados.

1.21.4

Muy Pesado (300% SC)

Elevadores, excavadoras, dragas, prensas de tornillo y excéntricas con

volantes relativamente ligeros, martillos y molinos. 1.31.

5

Para dos turnos se incrementa KS en 0.15 ; Para tres turnos se incrementa KS en 0.4

Anexos

62

Tabla 8. Coeficiente Cn

Tipo de Correa Correas

necesarias Número de

correas Cn

Trapezoidales

Nn ≤ 1 N = 1 1

1 < Nn 2.85 1 < N 3 0.95

2.85 < Nn 5.7 3 < Nn 6 0.9

Nn > 5.7 Nn > 6 0.85

Tabla 9. Dimensiones de las ranuras.

Tipo de Correa

Z A B C D E SPZ SPA SPB SPC

2.5 3.3 4.2 5.7 8.1 9.6 2.5 3.3 4.2 5.7

H 9.5 12 15 20 28 33 12.5 16.3 21.2

t 12 15 19 25.5 37 44.5 12 15 19 25.5

S 8 10 12.5 17 24 29 8 10 12.5 17

r1 0.5 1 1 1.6 2 2 0.5 1 1 1.6

r2 1 1 1.6 2 3 4 1 1 1.6 2

x 6 7.6 9.6 6 7.6 9.6

d 90.01 11.60.01

5 14.70.01

5 200.015 28.50.01 33.80.01

5 90.01 11.60.01

5 14.70.01

5 20 0.015

=3

4 D 63-71

90-112

125-160

- - - 63-71 90-112

125-160

-

b1 10 13 16.6 - - - 10 13 16.6 -

=3

6 D

80-100

125-160

180-224

200-315

315-450

500-560

- - - -

b1 10.1 13.1 16.7 22.7 32.3 38.2 - - - -

=3

8 D

112-160

180-400

250-500

355-630

500-900

630-1120

80-100

125-160

180-224

b1 10.2 13.3 16.7 22.9 32.6 38.6 10.2 13.3 16.7

Tabla 10. Algunos valores de potencia y velocidad de los motores eléctricos

Potencia (kW)

Velocidad (r.p.m.)

Potencia (kW)

Velocidad (r.p.m.)

Potencia (kW)

Velocidad (r.p.m.)

0,12 3400 1720 800 5,5 3485 1740 880 90 3575 1780 890

0,18 3370 1710 840 7,5 3515 1755 880 110 3575 1785 890

0,25 3340 1710 840 9,2 3520 1755 875 132 3575 1790 890

0,37 3340 1680 835 11 3520 1755 875 150 3575 1790 890

0,55 3370 1680 825 15 3530 1765 875 185 3575 1790 895

0,75 3380 1720 825 18,5 3530 1765 880 200 3580 1790 895

1,1 3330 1710 850 22 3535 1760 885 220 3580 1790 895

1,5 3350 1730 850 30 3545 1770 885 260 3580 1790 895

2,2 3450 1720 855 37 3550 1770 880 300 3580 1790 895

3 3450 1710 855 45 3560 1775 880 330 3585 1790

3,7 3480 1710 855 55 3560 1775 885 370 3585 1790

4,5 3465 1750 880 75 3560 1775 890 400 3585 1790

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