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DISEÑO RED DE AIRE COMPRIMIDO

ANDRÉS MONTAÑA MUÑOZ

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE MECANICA Y ENERGETICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2008

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DISEÑO RED DE AIRE COMPRIMIDO

ANDRÉS MONTAÑA MUÑOZ

Pasantía para optar al título de Ingeniero Mecánico

Director

CRISTIAN CHAMORRO Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE

FACULTAS DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE MECANICA Y ENERGETICA

PROGRAMA INGENIERIA MECANICA SANTIAGO DE CALI

2008

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Nota de aceptación: Aprobado por el comité de grado en Cumplimiento de los requisitos exigidos por la universidad Autónoma de Occidente para optar el Titulo de ingeniero mecánico.

HECTOR JARAMILLO

Director

Santiago de Cali, Agosto de 2008

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Este título lo dedico a mi Padre, el cual fue la persona que depósito su confianza en mí y me demostró que en la vida no hay nada imposible, que mediante la dedicación me enseñó que los esfuerzos y sacrificios nos hacen seres más humildes y que la vida es una sola por lo tanto debemos vivirla a fondo y dar lo mejor de nosotros, como hijos, para nuestros Padres, para llenarlos de Orgullo.

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AGRADECIMIENTOS

Agradezco a mis hermanos, a mi madre y compañeros de universidad los cuales me tendieron su mano en el momento que más lo necesite. Gracias a mis maestros: Delmar Gutiérrez el cual me enseñó la capacidad de ver mis errores y trabajar sobre la mejora continua como ser humano y profesional y agradezco en especial a mi maestro Cristian Chamorro quien me asesoró en mi proyecto de pasantía y a lo largo de mi carrera como estudiante.

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CONTENIDO

Pág.

GLOSARIO 9

RESUMEN 10

INTRODUCCIÓN 11

1. CONSUMO DE AIRE DE LA PLANTA Y SUS TRES AREAS PRINCIPALES 12 2. DEMANDA DE AIRE 14

2.1 CALCULOS DE PERDIDAS Y FUTURAS AMPLIACIONES 14 3. SELECCIÓN DE LA PRESIÓN Y CAPACIDAD DE DESCARGA DEL COMPRESOR 15 3.1 SELECCIÓN DEL RECIPIENTE ADECUADO 16

4. SELECCIÓN DE DIAMETROS DE TUBERIA Y CAUDALES PARA LA RED DE AIRE COMPRIMIDO 17 4.1 CALCULO DEL DIAMETRO NOMINAL Y DEFINITIVO PARA LA RED DE AIRE COMPRIMIDO 19 4.2 CALCULO LONGITUD SUPLETORIA 21

5. RECOMENDACIONES 23

6. PLANOS DE PLANTA EN GENERAL Y VISUALIZACIÓN EN TRES DIMENSIONES 24 7. CONCLUSIONES 30

BIBLIOGRAFIA 32

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LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Monograma para selección de diámetros 20

Figura 2. Monograma para longitud supletoria 21

Figura 3. Modelado tres dimensiones 24

Figura 4. Planos – red de aire comprimido 25

Figura 5. Plano de montaje 26

Figura 6. Área de impresión 27

Figura 7. Área de troquelado 28

Figura 8. Área de terminado 29

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LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Área de Impresión 12

Tabla 2. Área de Troquelado 12

Tabla 3. Área de Terminado 13

Tabla 4. Compresores 15

Tabla 5. Normas A.S.M.E. 16

Tabla 6. Material Red de Aire Comprimido 22

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GLOSARIO

CAUDAL: cantidad de fluido que pasa por determinado elemento en la unidad de tiempo.

IMPRESIÓN OFSSET: impresión la cual no trabaja con agua y la unidad de impresión no requiere humedad, el ofsset es un sistema de impresión que utiliza placas de superficie plana. El área de la imagen a imprimir está al mismo nivel que el resto, ni en alto ni en bajo relieve es por eso que se reconoce con un sistema plano gráfico.

MONOGRAMA: es un símbolo formado generalmente por cifras y letras entrelazadas en conjunto

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RESUMEN

En este documento se muestra el diseño de una red de aire comprimido y los elementos para la debida selección de caudal, diámetros de tubería, selección de compresores, sistemas de distribución de aire, planos y futuras ampliaciones.

Los objetivos principales de dicha pasantía es fijar las condiciones de trabajo para una empresa de impresión ofsset, ya que la mayoría de sus equipos trabajan con energía fluidica y es necesario suministrar aire comprimido para el funcionamiento de las maquinas, por lo tanto, a lo largo de este documento se expone como deben ser la pautas para la correcta selección de caudal de la empresa.

Teniendo en cuenta los equipos con los que se trabajan, el debido y correcto suministro de aire, debemos resaltar, que para el suministro de aire comprimido se debe calcular el condensado que genera la red de aire comprimido pues este genera un gran problema de corrosión en los equipos y partiendo de este todos los problemas que esto generaría, por eso es debido utilizar unidades de secado de aire y filtros para prevenir y proteger los equipos de estos posibles daños.

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INTRODUCCIÓN

La importancia de la implementación del aire comprimido como energía fluidica es de gran valor ya que la mayoría de las empresas de impresión requieren de aire comprimido para el funcionamiento de sus equipos.

La utilización de los fluidos, en este caso, aire como medio para mover equipos, es algo que se ha hecho desde hace mucho tiempo pues la implementación de estos sistemas es de muy bajo costo.

La selección de diámetros, caudales, presiones, longitudes de tubería es algo que no se debe tomar a la ligera puesto que estos sistemas determinan el buen funcionamiento de los equipos y por lo tanto se debe hacer los respectivos cálculos para encontrar un buen diseño de la red de aire comprimido, se debe tener en cuenta la locación de trabajo ya que los compresores trabajan según las diferentes alturas a nivel del mar y esto puede afectar su funcionamiento, sino se hace el debido proceso puede traer serias repercusiones ya que los compresores trabajaran mal y no prestaran la eficiencia adecuada.

Los objetivos de este trabajo es diseñar una red de aire comprimido, verificar los caudales de las maquinas y el caudal total requerido por la empresa, verificar si los compresores de la empresa son los adecuados en esta aplicación, seleccionar el diámetro correcto para el sistema de distribución de la red y diseñar planos.

El alcance de este proyecto es la aplicación ingenieril como tal y el adecuado suministro de aire comprimido para cada maquina teniendo en cuenta las futuras ampliaciones de la empresa y los nuevos requerimientos de las máquinas.

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1. CONSUMO DE AIRE DE LA PLANTA Y SUS TRES ÁREAS PRINCIPALES

Se presenta una tabla por área en la cual se muestra el consumo de aire por máquina, estos datos presentados fueron obtenidos de los manuales técnicos de cada máquina.

Tabla 1. Área De Impresión

CONSUMO DE AIRE

AIRE NECESARIO

MAQUINAS

L/min.

m3 /min.

No. DE

MAQUINAS

L/min

.

m3

/min. CD 2000 350 0.35 1 350 0.35 SPEEDE MASTER CD 350 0.35 1 350 0.35

SPEED 102 350 0.35 1 350 0.35

ÁREA DE

IMPRESION

SORM- Z 350 0.35 1 350 0.35

TOTAL CONSUMO DE AIRE = 1.4 m 3 /min.

Tabla 2. Área De Troquelado

CONSUMO DE AIRE

AIRE NECESARIO

MAQUINAS

L/min. m3

/min.

No. DE

MAQUINAS

L/min.

m3 /min.

BOBST 76 130 0.13 1 130 0.13 EVOLINE 102 130 0.13 1 130 0.13 EVOLINE 102 E

130 0.13 1 130 0.13

ÁREA DE

TROQUELA DO

EVOLINE 102 E 2 130 0.13 1 130 0.13

TOTAL CONSUMO DE AIRE = 0.52 m 3 /min.

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Tabla 3. Área De Terminado

CONSUMO DE AIRE

AIRE NECESARIO

MAQUINAS

L/min.

m3 /min.

No. DE

MAQUINAS

L/min.

m3

/min. HEIBERT SCHRUDER

20 0.02 1 20 0.02

INTERNATIONAL 283 0.283 1 283 0.283 VEGA 1 20 0.02 1 20 0.02 VEGA 2 20 0.02 1 20 0.02

ÁREA DE TERMINA

DO

POST 283 0.283 1 283 0.283

TOTAL CONSUMO DE AIRE = 0.909 m 3 /min.

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2. DEMANDA DE AIRE

Sumando los tres resultados obtenidos por área obtenemos una demanda de aire equivalente a 2.829 m3/min. 2.1 CÁLCULOS DE PERDIDAS Y FUTURAS AMPLIACIONES

Sabiendo esto debemos presupuestar un porcentaje en las posibles fugas y pérdidas por accesorios (codos, válvulas, material de la tubería, perdidas por carga.)

Este porcentaje será de un 10% ya que en la mayoría de libros de hidráulica se toma este valor como estándar.

2.829 m3 /min. * 0.10 = 3.112 m3 /min.

Ahora se deben hacer consideraciones pensando en futuras ampliaciones y nueva maquinaria.

Para este cálculo se toma un porcentaje del 40 %

3.112 m3 /min. * 0.40 = 4.35 m3 /min. O 153.61 ft3/min .

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3. SELECCIÓN DE LA PRESIÓN Y CAPACIDAD DE DESCARGA DEL COMPRESOR

Para los equipos que tenemos en la planta contamos con 2 compresores los cuales son:

Tabla 4. COMPRESORES

COMPRESOR SMART PLUS Compresor eléctrico rotativo de

tornillo lubricado de una sola fase.

COMPRESOR INGERSOLL RAND

Compresor eléctrico rotativo de tornillo lubricado de una sola fase.

Presión de trabajo

142 psi o 9.7 bar. máximo 110 psi o 7.6 bar. mínimo

Presión de trabajo

150 psi o 10.3 bar máxima 110 psi o 7.6 bar mínimo

Potencia Instalada

18.5Kw

Potencia Instalada

25kw

Caballos de fuerza

25Hp

Caballos de fuerza

40Hp

Entrega de aire libre

3.06 m3 /min.

Entrega de aire libre

4.9 m3 /min.

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3.1 SELECCIÓN DEL RECIPIENTE ADECUADO

Según estos datos y con el valor de aire libre suministrado por el manual del compresor tenemos que la capacidad mínima para el recipiente de aire es:

Diámetro 61.8 cm.

Longitud 1.84 m.

Aire libre 3.06 m3 /min.

Volumen 0.35 m3

Los datos obtenidos se obtuvieron de la tabla mostrada a continuación la cual es para presiones de hasta 125 psi.

NORMAS A.S.M.E. PARA RECIPIENTES DE AIRE PARA PRESIONES DE DESACARGA HASTA 125 Psi (8.75 Kg./Cm2 ).

Tabla 5. Normas A.S.M.E.

DIÁMETRO EN

LONGITUD EN

CAPACIDAD REAL DEL

COMPRESOR PARA EL QUE ES

ADECUADO EL RECIPIENTE

VOLUMEN DEL

RECIPIENTE

VALVULAS DE

SEGURIDAD AIRE LIBRE DIAMETRO

Pul/da

Cm.

Pies

M Pies3

min.

m3

/ min.

Pies3

m3

Pul/d

as

M

24 30

60.9 76.2

6 7

1.83 2.13

95 305

2.69 8.64

11 34

0.31 0.96

1 2

2.5 5.1

61.8 1.84 3.06 0.35 2.66

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4. SELECCIÓN DE DIÁMETROS DE TUBERÍA Y CAUDALES PARA LA RED DE AIRE COMPRIMIDO

Para este caso particular encontramos que la empresa trabaja con dos compresores de 25 Hp y 40 Hp pero en estos momentos solo utiliza para la red de aire el de 25 Hp que genera una capacidad de aire libre de 3.06 m3 / min. Es así como encontramos una de las primeras fallas de este sistema ya que la red de aire requiere una capacidad de 4.35 m3 /min. O 153.61 Pies3 /min. La cual fue calculada tomando en cuenta la capacidad de operación de cada maquina y el caudal que estas requieren par su desempeño normal.

Se toma encuenta que el compresor de 40 Hp tiene una capacidad de aire libre 4.9 m3 /min. La cual es la capacidad de aire requerida por la red de aire comprimido; es como se demuestra que con este compresor es suficiente para mantener la red de aire y su funciona miento adecuado.

Q =V*A en donde Q = caudal o flujo volumétrico

V = velocidad del fluido

A = Área de la tubería

Calculo de la velocidad del fluido para una tubería de 0.5” de diámetro o 0.0128 m. teniendo en cuenta que el caudal entregado por un compresor de 25 Hp es 3.06 m3 /min.

Situación que se vive en la empresa a la fecha de hoy, como se ve en los cálculos la velocidad es demasiado alta lo cual genera que las paredes del tubo se calienten.

El cual es el fenómeno que se experimenta en la red de aire generado por la fricción.

Para compresor de 25 Hp

Q = 3.06 m3 /min.

A = π * D² / 4 D = 0.0128 m.

18

V = Q/A 4 * 3.06 m3 /min. / Π (0.0128² m.)

V = 396.3 m/s

Cálculos si el diámetro de tubería es de 2” o 0.0508m.

Para compresor de 40 Hp

Q = 4.9 m3 /min.

A = π * D² / 4 D = 0.0508 m

V = Q/A 4 * 4.9 m3 /min. / Π (0.0508²m.)

V = 40.29 m/s

Cálculos si el diámetro de tubería es de 1,5” o 0.0381m.

Q = 4.9 m3 /min.

A = π * D² / 4 D = 0.0381 m.

V = Q/A 4 * 4.9 m3 /min. / Π (0.0381²m.)

V = 71.63 m/s

Como se puede observar la velocidad adecuada para el sistema de red de aire comprimido es la de 40.29m/s correspondiente al diámetro de 2”.

4.1. CALCULO DEL DIÁMETRO NOMINAL Y DEFINITIVO PARA LA RED DE AIRE COMPRIMIDO

El diámetro de la tubería no deberá de elegirse de acuerdo a otras tuberías existentes ni de acuerdo con cualquier regla empírica sino en conformidad con:

El caudal.

La longitud de las tuberías.

La pérdida de presión admisible.

La presión de servicio la cantidad de estrangulamientos en la red.

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Caudal 4.35 m3 /min. O 261 m3 / h Requeridos por la empresa en sus tres áreas principales

Longitud de tubería 328 m

17 T

18 codos normales

8 válvulas de cierre

Presión de trabajo en la empresa 7 bar

Presión de perdida admisible 0.1 bar

Con los siguientes datos se va al monograma de pokorny, Francfort

Al desarrollar el monograma como se muestra e n la figura obtenemos un diámetro nominal el cual arroja un valor de 60mm ó 2” pero debemos tener en cuenta las longitudes supletorias por accesorios tales como son: válvulas de cierre, T, codos normales.

20

Figura 1 . Monograma Para Selección De Diámetros

Fuente: AMPUDIA, Echeverri. Neumática. 5 ed. Suiza: McGraw-Hill, 1995. p. 209

21

4.2. CALCULO LONGITUD SUPLETORIA.

Este cálculo de la longitud supletoria debe ser realizado mediante el monograma.

Figura 2 . Monograma para longitud supletoria

Fuente: AMPUDIA, Echeverri. Neumática. 5 ed. Suiza: McGraw-Hill, 1995. p. 210

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Mediante el siguiente monograma de longitud supletoria calculamos lo siguiente:

17 piezas en T (60mm) = 6m * 17 = 102

8 válvulas de cierre (60mm) = 0.9 * 8 = 7,2

18 codos normales (60mm) = 0.6 * 18 = 10,8

Se suman los valores correspondientes y se tiene que la longitud supletoria es de 120 m

Esta longitud debe ser sumada a la primera 328m + 120m = 458m

Con esta longitud se va de nuevo al monograma de pokorny y se estima el diámetro definitivo, el cual es 2 ½ ” Como no existe tubería de este diámetro comercialmente hablando se propone diámetro de 2”

Tabla 6. Material red de aire comprimido.

MATERIAL QUE INTERVIENE EN EL DISEÑO DE LOS

ANILLOS DE LA RED DE AIRE COMPRIMIDO

Cantidad Material

54 Tubos de 2”x 6 m de largo acero galvanizado

6

Codos de 2”

24

T de 2”

20

Uniones Universales de 2”

22

Válvulas universales de bola de 2”

30

Cintas de teflón

110

Abrazaderas en U de 2”

160

Chazos de 5/16 x2 ½”

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5. RECOMENDACIONES

En este informe se entregan dos planos los cuales representan la animación en tres dimensiones de cómo se llevara a cabo el montaje de los anillos de la red de aire comprimido y el otro plano muestra la debida posición de cada máquina y su acotación como también el material presupuestado para la red de aire.

Las maquinas que se muestran en esta aplicación son las que requieren aire comprimido para su libre funcionamiento.

También debe tomarse en cuenta que la capacidad solicitada por la red de aire es de un valor de 4.35 m3 /min. O 261 m3 / h y que por esta razón es mejor utilizar el compresor de 40HP que genera 4.9 m3 /min. Y es el más apto para esta aplicación.

La capacidad de generación del compresor de 25 HP es 3.06 m3 /min. Valor que se encuentra por debajo de la capacidad.

Los siguientes datos suministrados se encuentran fundamentados en los cálculos demostrados a lo largo de este informe.

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6. PLANOS DE LA PLANTA EN GENERAL Y VISUALIZACIÓN EN 3 DIMENSIONES

Las maquinas de color negro son de impresión

Color rojo área de troquelado

Color verde área de terminado

Figura 3. Modelado en tres dimensiones.

25

Figura 4 . Planos - Red de Aire Comprimido.

26

Figura 5. Plano de Montaje.

27

Figura 6. ÁREA DE IMPRESIÓN

En esta área se cuentan con 4 maquinas de impresión y 2 unidades de barniz la función principal de estas maquinas es recibir el cartón y mediante las planchas utilizadas en la maquinas se imprimen por el método offset.

Este seria el primer anillo de la red de aire comprimido.

Área de impresión Primer anillo

VÁLVULAS

UNIONES

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Figura 7. ÁREA DE TROQUELADO

Esta es la segunda área de la empresa y el segundo anillo de la red, en el área de troquelado se hacen los diferentes quiebres para las plegadizas y se hace el proceso de retirar el material que no sirve en la plegadiza o llamado desperdicios

Codos

Segundo Anillo

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Figura 8. ÁREA DE TERMINADO

En esta área se encuentran los equipos internacionales que son los encargados de doblar las plegadizas para que sean empacadas y despachadas a los clientes, esta es la tercera.

Área y por el ende el 3 anillo de la red.

Área de compresores

Tercer Anillo

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7. CONCLUSIONES

• Para conocer la capacidad de aire comprimido que requería la empresa para el funcionamiento de sus tres áreas principales, se empezó un trabajo de campo en la empresa el cual era observar que maquinas requieren aire comprimido; después de reconocer cada máquina se entra a verificar el caudal que requiere cada equipo según el manual de la maquina y el diseño propuesto por el fabricante. • La debida determinación de demanda de aire comprimido se hace basada en cálculos los cuales son: perdidas por fricción y futuras ampliaciones estos cálculos lo que buscan es dar un sistema robusto con el fin de prever futuras llegadas de equipos nuevos los cuales puedan hacer que el sistema no cumpla con los requerimientos y la red sea obsoleta en un tiempo determinado. • La verificación de los compresores se hizo tomando en cuenta los cálculos de demanda de aire, en este caso encontramos un detalle en particular que pudimos observar, en esta empresa ellos utilizan un compresor de entrega de aire libre de 3.06 m3 /min y la demanda requerida por la empresa es de 4.35 m3 /min. Por eso se hace la recomendación de utilizar el compresor que desarrolla 4.9 m3 /min. Para así abastecer las maquinas con la cantidad de aire necesario para su desempeño adecuado. • La verificación de los diámetros correctos de tubería se hizo basado en los monogramas que se utilizan para los diseños de redes de aire comprimido, para la utilización de estos monogramas se debe tener definidos cuatro aspectos principales los cuales son: caudal requerido por la empresa, presión de trabajo de las maquinas, longitud de la tubería, perdidas de presión en la red de distribución. • Se realizo un plano de la empresa el cual sirve de guía para ver el montaje que se debe hacer y pensar en futuras modificaciones, este trabajo es interesante ya que puede guiar al ingeniero en su proyecto y tener una visión de lo que se quiere y como hacerlo siendo más precisos y evitar las pérdidas de material este plano se realizo en el programa de diseño solid edge el cual es un modelador de sistemas. • Como conclusión final podemos decir que todo el diseño que se realizo en el proyecto se está volviendo realidad, ya que en este momento se está realizando los montajes de la red de aire comprimido. Justificando de forma satisfactoria el trabajo de diseño.

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BIBLIOGRAFÍA

AMPUDIA, Echeverri. Neumática. 5 ed. Suiza: McGraw-Hill, 1995. 209 p.

Manual del Ingeniero Mecánico. 6 ed. McGraw-Hill, 1995. 800 p.