EL AIRE COMPRIMIDO
Y SUS CARACTERISTICAS
El aire es un fluido en estado
gaseoso el cual está conformado por un 78% de Nitrógeno (N2) y un 21% de Oxigeno (O2)
el 1% restante está representado en vapor de agua, gases nobles y otros
componentes.
El aire por su
condición de gas tiene una distancia entre moléculas relativamente grandes en
comparación a fluidos en los estados líquido y sólido, esto le confiere al aire
condiciones de compresibilidad (a mayor distancia entre moléculas es posible
acercar estas por medios mecánicos)
El aire puede ser
comprimido y utilizado como un gas ideal
(cumple leyes de gases) si las presiones de trabajo no son superiores a 250
PsiA y Temperaturas mayores a 0°C
Los fluidos en estado
gaseoso son dependientes de la temperatura y de la presión, a diferencia de los
fluidos en estado sólido y líquido, el volumen y densidad de un gas son
afectados por las condiciones de presión y temperatura
El aire libre aquel
que nos rodea ejerce sobre la tierra y a cada uno de nosotros una presión
conocida como presión atmosférica (medida con un barómetro se le llama presión
barométrica) esta presión cambia de acuerdo a la altitud, a nivel del mar está
la mayor presión atmosférica, mientras si ascendemos la presión debida a la
atmosfera disminuye
El siguiente grafico
muestra cómo cambia la presión atmosférica debido a la altitud
Concepto
de presión atmosférica
La presión atmosférica
a nivel del mar fue medida con un instrumento llamado barómetro, instrumento
construido por Evangelista Torricelli el cual encontró que este valor era de
760 mm de Hg
Los valores de la
presión atmosférica a nivel del mar en diferentes unidades son los siguientes:
760 mm de HgA=30
pgs de HgA=34 pies de columna de aguaA=10 m de columna de
aguaA = 14.7 PsiA = 1 Kgf/cm2A
= 100 KpaA = 1 BarA = 1 AtmA
Estos valores difieren
un poco de los valores exactos pero para efectos de cálculos básicos, son
totalmente funcionales
Es importante observar
que a cada uno de los valores asociados se le ha escrito un subíndice con la
letra A, la cual significa que los valores indicados son absolutos, esto es
debido a que son medidos entre el cero del nivel del mar el cual es absoluto y
el cero de referencia a partir del cual empieza la presión manométrica
Para la medición de la
presión atmosférica Torricelli utilizó como fluido muestra mercurio (Hg) en
razón a su mayor densidad ya que la presión hidrostática que ejerce un fluido está
determinada por la siguiente ecuación:
P = ρ (densidad) * g
(constante de aceleración debida a la gravedad) * altura
Como se observa la
densidad del fluido es inversamente a la altura que este alcanza en el
barómetro de allí la razón por la cual el valor de la presión en columna de Hg
sea menor que el valor en columna de agua
Entre los diferentes
términos usados respecto del concepto de presión están:
Presión atmosférica:
Es la presión ejercida por la atmósfera y es debida a todo el aire que circunda
la tierra.
Presión barométrica:
Instrumento para medir la presión atmosférica en cualquier punto de la tierra
Presión manométrica:
Es la presión ejercida por un fluido en el cual su valor está medido a partir
del cero de referencia, es decir el punto hasta donde se grafica el valor
máximo de la presión atmosférica
Presión absoluta:
Es la presión medida a partir del cero absoluto (cero del nivel del mar)
sumando el valor manométrico existente para la medición actual
Presión de vacío:
Es la presión medida a partir del cero de referencia hacia abajo. es decir
hacia el cero absoluto, el valor de la presión de vacío se expresa como un
número negativo, y el instrumento utilizado es el vacuometro
Las leyes de gases
ideales como ya hemos expresado anteriormente son aplicables al aire
comprimido, a continuación expresamos cada una de ellas
Las leyes de gases
ideales básicamente son cuatro:
Ley
de Boyle-Mariotte: Establece que a condición de
temperatura constante (proceso isotérmico), el volumen es inversamente a la
presión absoluta, es decir, el producto de la presión por el volumen es una
constante (Matemáticamente el producto de dos variables son inversamente
proporcionales entre si respecto de una constante)
Expresión matemática
es PA * V = K
A continuación un
enlace que muestra el comportamiento de la ley de Boyle-Mariotte y el tipo de
grafico obtenido para presión (eje x), volumen (eje y)
Si se tienen dos estados (estado 1 y
estado 2) se puede expresar la siguiente ecuación:
P1A * V1 =P2A
* V2 en otras palabras la constante de proceso es la misma
para las condiciones 1 y 2
Ley
de Charles: Establece que a condición de
presión constante (proceso isobárico),
el volumen es directamente a la temperatura absoluta, es decir, el volumen sobre
la temperatura absoluta son constantes (Matemáticamente el cociente de dos
variables son directamente proporcionales entre si respecto de una constante)
Expresión matemática
es V / TA = K
A continuación un
enlace que muestra el comportamiento de la ley de Charles y el tipo de grafico obtenido para la
temperatura (eje x), volumen (eje y)
Si se tienen dos
estados (estado 1 y estado 2) se puede expresar la siguiente ecuación:
V1 / T1A = V2 / T2A en otras palabras la constante de
proceso es la misma para las condiciones 1 y 2
Ley
de Gay-Lussac:
Establece que a condición de volumen constante (proceso isocoro), la presión absoluta es
directamente a la temperatura absoluta, es decir, la presión absoluta sobre la
temperatura absoluta son constantes (Matemáticamente el cociente de dos
variables son directamente proporcionales entre si respecto de una constante)
Expresión matemática
es PA / TA = K
A continuación un gráfico
que muestra el comportamiento de la ley de Gay-Lussac así: para la temperatura
(eje x), Presión (eje y)
Si se tienen dos
estados (estado 1 y estado 2) se puede expresar la siguiente ecuación:
P1A / T1A
= P2A / T2A en otras palabras la constante de
proceso es la misma para las condiciones 1 y 2
Ley
Universal de gases: Establece que la relación entre las
variables Presión absoluta, volumen y
temperatura absoluta son constantes, es decir, el producto Presión absoluta por
volumen divididos entre la temperatura absoluta son constantes
La ley universal de
gases se encuentra presente cuando se efectúa un proceso de compresión, al
producirse el aumento de presión se obtiene una disminución de volumen como en
el caso de un compresor de pistón, con el consiguiente aumento de la
temperatura del aire
A continuación el
funcionamiento de un compresor de pistón
Se anexa el
siguiente link que expone otras características de los gases ideales
Es importante
considerar que el aumento de temperatura del aire tiene efectos tales como la
disminución de la humedad absoluta y relativa del aire, esto es observable en
la ecuación universal de gases si esta la expresamos en función de la densidad así:
PA / (TA
* ρ) en esta ecuación se observa que la temperatura y la densidad son
inversamente proporcionales por tanto cuando la temperatura del aire aumenta
debido al proceso de compresión su densidad disminuye, caso típico del aire
caliente que tiende a subir cuando su temperatura es mayor
El proceso de aumento
de temperatura del aire trae consigo que el aire se torne más húmedo y haya una
mayor cantidad de vapor de agua disuelto por metro cubico, la curva de
temperatura de rocío nos muestra el comportamiento del aire a diferentes
valores de temperatura
La siguiente grafica
muestra que el aire a mayor temperatura (eje x) contiene una mayor cantidad de
vapor de agua
Como consecuencia del
proceso de compresión este trae consigo una mayor cantidad de vapor de agua en
el aire, este debe ser secado por medios químicos, mecánicos o por
refrigeración
Tipos
de secadores
Secador por
absorción
Es un secador de tipo químico
en el cual el aire se obliga a pasar por un lecho de sustancias secantes, este
material al entrar en contacto con el vapor de agua contenido en el aire
establece una combinación química y el vapor de agua es desprendido en el
material secante.
El material de
retención de la humedad también debe ser secado con aire caliente y reemplazado
a intervalos regulares en virtud de su desgaste por las horas de trabajo
Secador por
adsorción
Es un secador de tipo
mecánico, el cual consta de un elemento poroso tal como el dióxido de silicio,
elemento adsorbente de la humedad presente en el aire comprimido, este secador
está conformado por dos depósitos en el cual mientras uno está activo el otro
se regenera o seca usando aire caliente.
En este tipo de
secador no es posible la admisión de aceite que obturarían los capilares del
elemento poroso y harían imposible su regeneración, por tal razón es
conveniente el uso de un filtro de retención
de aceite
Secador por
refrigeración
Es uno de los sistemas
de secado más usados en razón a su eficiencia el enfriamiento del aire se logra
llevando este a la temperatura del punto de rocío es decir en el cual el aire
condensa el vapor de agua contenido, el aire se hace pasar por dos
intercambiadores uno del tipo aire-aire y por una máquina frigorífica, en el primer
intercambiador el aire caliente proveniente del compresor cede parte de su temperatura al aire seco que
va a la red de distribución con el fin de entregarle un poco de humedad que
ayuda a evitar un desgaste en los componentes; el aire caliente que ha bajado
ya un poco su temperatura va a la maquina frigorífica y allí cede su calor
restante al agente refrigerante el cual a su vez es enfriado nuevamente para
mantener de esta forma el ciclo continuo del sistema
Se anexa otro link para
observar como funciona el proceso de refrigeración, blog
titulado refrigeración
para principiantes
http://refridummies.blogspot.com
http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/3esofisicaquimica/impresos/quincena2.pdf
http://refridummies.blogspot.com
Actividades:
El estudiante debe
desarrollar las siguientes actividades correspondientes a la elaboración de
ejercicios de cálculo que aparecen en el siguiente link
http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/3esofisicaquimica/impresos/quincena2.pdf
