Sistemas neumáticos: componentes y flujo de aire (con simulador)

¡Bienvenidos nuevamente al blog de Welectronic! Un cilindro neumático parece simple: entra aire y se mueve. Pero entre el compresor y el actuador hay una línea completa de componentes, cada uno con una función y cada uno robando un poco de presión. Cuando "el cilindro va lento", "no tiene fuerza" o "el compresor no para", casi nunca el culpable es el cilindro: es la línea. En esta publicación recorremos la ficha técnica como un curso, corregimos lo que hay que corregir, y al final tienes un simulador de la línea neumática completa donde mueves la fuga, el filtro sucio o el diámetro de tubería y ves cómo cambia la presión en cada punto.

Lo que vas a aprender

Nombrar cada componente de la línea, su función y su símbolo ISO 1219-1.
Preparar el aire: qué hacen el filtro, el regulador y el lubricador, y cómo drenar el condensado.
Calcular la fuerza de un cilindro (F = P · A, con el área correcta y la fricción), su consumo de aire y la presión mínima necesaria.
Estimar la caída de presión en tuberías y elegir el diámetro para que no te cueste energía ni fuerza.
Diagnosticar fallas con un método ordenado y dimensionar compresor, depósito y red.

Mapa conceptual de la publicación: componentes, aire preparado, presión, flujo de aire, fallas y selección de un sistema neumático, con el simulador al centro — Mapa de la publicación: seis bloques alrededor del sistema neumático y el simulador de la línea.

1. Componentes principales y flujo de aire

Componentes de un sistema neumático en orden: compresor, depósito, secador, unidad FRL, válvulas y actuadores, con las tuberías y conexiones y la leyenda de flujo principal y drenajes — Componentes principales y flujo de aire. Fuente: ficha técnica Welectronic.

El aire sigue siempre el mismo camino. Cada componente cumple un trabajo que el siguiente necesita:

Componente	Qué hace	Qué pasa si falla o se omite
Compresor	Convierte energía mecánica en aire comprimido (6 a 10 bar). Arranca y para según un presostato con histéresis.	Sin caudal suficiente la presión cae; con el equipo mal dimensionado cicla en exceso.
Depósito (acumulador)	Almacena aire, estabiliza la presión, enfría el aire y recoge el condensado; sirve de "colchón" para picos de consumo.	Presión inestable y arranques frecuentes del compresor; agua que pasa a la red si no se purga.
Secador	Baja el punto de rocío para que el agua no condense en la red (refrigerativo hasta ≈ 3 °C; de adsorción hasta −40 °C o menos).	Corrosión, válvulas pegadas, herramientas dañadas, tuberías con agua.
Unidad FRL	Filtra, regula y (si hace falta) lubrica, justo antes del equipo.	Fuerza inestable, desgaste de sellos, contaminación del proceso.
Válvulas direccionales	Dirigen, permiten o bloquean el paso del aire (5/2, 3/2, 5/3…).	Movimientos erráticos o ausentes; fugas internas.
Actuadores	Convierten la presión en movimiento lineal (cilindros) o rotativo (motores, giratorios).	Poca fuerza, velocidad errática, desgaste.
Tuberías y conexiones	Conducen el aire con las menores pérdidas posibles.	Caída de presión, fugas, agua acumulada.

Precisión al diagrama de la ficha: la ficha dibuja el depósito antes del secador, que es el orden habitual ("depósito húmedo"): el depósito enfría el aire y recoge agua antes del secador, que trabaja menos. También se instala el secador antes del depósito ("depósito seco") cuando se quiere almacenar aire ya seco. Ambas son válidas; lo que no puede faltar es un postenfriador a la salida del compresor y purgas automáticas en depósito, filtros y secador. En el esquema también faltan las tuberías de retorno de condensado: la línea de "drenajes / purga" punteada es la más olvidada.

Símbolos ISO 1219-1

Los esquemas neumáticos se leen con símbolos normalizados: un rombo es un acondicionador de aire (filtro, lubricador), un cuadrado con una flecha y un muelle es el regulador, cada cuadro de una válvula es una posición, y las líneas de trazo son pilotajes o fronteras de una unidad. Los símbolos de arriba son esquemáticos para estudiar; valida la forma exacta de cada uno con la norma ISO 1219-1 antes de usarlos en un plano.

Dónde se pierde la presión en una línea

Perfil de presión a lo largo de una línea neumática desde el depósito a 8 bar hasta el cilindro a poco más de 6 bar, con la caída en secador, filtro, tubería, filtro del FRL, regulador, lubricador, válvula y tubo final — Perfil de presión: la presión que llega al cilindro es mucho menor que la del depósito. Diagrama original Welectronic.

Cada elemento aporta una pequeña caída; sumadas son grandes. En el ejemplo la presión baja de 8,0 bar en el depósito a 6,05 bar en el cilindro. Una parte (1,5 bar) es el regulador, que baja la presión a propósito; el resto, unos 0,45 bar, son pérdidas en secador, filtros, tubería, válvula y racores. Observa la línea roja: si la fuerza necesita 6 bar, hay muy poco margen. En el simulador de abajo verás este perfil en tiempo real.

2. Preparación del aire (unidad FRL)

Unidad FRL con filtro, regulador y lubricador, elemento filtrante, purgador, perilla de ajuste, visor de nivel de aceite, buenas prácticas, símbolo ISO 1219 y drenajes automático y manual — Preparación del aire: filtro, regulador, lubricador y drenajes. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Filtro: retiene partículas sólidas (elemento de 5 µm o 40 µm, según el equipo) y gotas de agua por centrifugado. Se drena a mano o con purgador automático; si el vaso se llena, el agua pasa. Existen filtros coalescentes (0,01 µm) para quitar la niebla de aceite.
Regulador: mantiene la presión de salida constante aunque la de entrada varíe, siempre menor que la de entrada. Se ajusta girando la perilla subiendo hasta el valor deseado (si se baja desde arriba, la histéresis deja una presión mayor). Con caudal alto la presión de salida cae ("caída de regulación").
Lubricador: inyecta una niebla de aceite en el aire. Si el equipo es de lubricación permanente (casi todo cilindro moderno) no se necesita: y una vez que un componente se lubricó con aceite en el aire, ya no puede volver a trabajar en seco porque se lava la grasa de fábrica.

Precisión sobre el lubricador: la ficha dice "usar lubricante neumático ISO VG 32" como buena práctica general. VG 32 es un valor habitual, pero la norma del fabricante de válvulas y cilindros manda (algunos piden VG 22 o aceite compatible con sus sellos). Y recuerda que muchas líneas de proceso (alimentos, pintura, instrumentación) no admiten aceite en el aire: el aire sin aceite se exige en la clase ISO 8573-1.

Calidad del aire: ISO 8573-1

La norma ISO 8573-1 clasifica el aire comprimido con tres números (partículas · agua · aceite). Aunque los valores exactos están en la norma y deben consultarse en su edición vigente, estos son los órdenes de magnitud más usados para el agua y el aceite:

Clase	Punto de rocío a presión (agua)	Aceite total (aerosol + vapor)	Uso típico
1	≤ −70 °C	≤ 0,01 mg/m³	Electrónica, farmacia, pintura de precisión
2	≤ −40 °C	≤ 0,1 mg/m³	Pintura, instrumentación crítica
3	≤ −20 °C	≤ 1 mg/m³	Equipos de proceso
4	≤ +3 °C	≤ 5 mg/m³	Neumática general con secador refrigerativo (el "3 a 7 °C" de la ficha)
5	≤ +7 °C	> 5 mg/m³ (no especificado en la tabla de clases de aceite)	Uso general no crítico

Dato a validar: estas cifras provienen de resúmenes divulgativos de la norma (por ejemplo, guías de fabricantes de compresores); confirma las clases exactas con la edición vigente de ISO 8573-1 antes de escribirlas en una especificación.

Un buen punto de partida para neumática industrial es clase 1.4.1 a 2.4.2 hacia la máquina (partículas 1-2, agua clase 4, aceite 1-2), ajustando según el proceso.

3. Presión en un sistema neumático

La mayoría de los sistemas trabajan entre 5 y 7 bar en el actuador. Equivalencias: 1 bar = 100 kPa = 14,5 psi y 1 MPa = 10 bar. La ficha recomienda 6 bar (87 psi) como valor general, y el cálculo confirma que 6 × 14,5 = 87 psi.

Fuerza de un cilindro

La fórmula F = P · A es correcta, pero hay que usarla bien:

P es la presión manométrica que llega a la cámara (la atmósfera actúa por el otro lado). No es la presión del compresor.
A es el área del émbolo en el avance (π·D²/4) y la corona en el retroceso: π(D² − d²)/4, con d el diámetro del vástago. En el retroceso la fuerza es menor.
La fuerza teórica hay que reducirla por la fricción de los sellos y guías: típicamente un 5 a 15 % (más a baja presión y con carrera corta). Es la fuerza de catálogo "efectiva".

F_avance = P · π D² / 4 F_retroceso = P · π (D² − d²) / 4
F_útil ≈ (0,85 a 0,95) · F_teórica − F_carga (si se mueve en vertical, suma o resta el peso)

Precisión a la ficha: en el dibujo y en las unidades la ficha usa "P = Presión (Pa)" y "A = Área (m²)", lo que da la fuerza en newtons. Si usas presión en bar, conviértela (1 bar = 10⁵ Pa) o recuerda que 1 bar × 1 cm² = 10 N. Y el tamaño del cilindro se elige con margen: la fuerza necesaria debe ser un 30 a 50 % menor que la teórica disponible a la presión mínima de la línea.

Caída de presión en tuberías

La caída por fricción en una tubería recta se estima con la ecuación de Darcy–Weisbach:

Δp = f · (L / d) · ρ · v² / 2

donde L es la longitud, d el diámetro interior, ρ la densidad del aire a la presión media (más densa cuanto más presión), v la velocidad real y f el factor de fricción (≈ 0,02 en estas condiciones). Cada codo o accesorio añade una pérdida K · ρv²/2 (K ≈ 0,9 en un codo de 90°). Lo importante para tomar decisiones: Δp crece con el cuadrado del caudal y cae rapidísimo con el diámetro (≈ d⁻⁵). Mira cómo cambia con el diámetro:

Caída de presión en función del diámetro interior de la tubería para tres caudales, con la recomendación de no pasar de 0,1 bar en la red principal — Caída de presión según el diámetro y el caudal. Diagrama original Welectronic.

Con 1200 L/min en 60 m y 8 codos, un tubo de 20 mm pierde 0,25 bar; uno de 25 mm, 0,08 bar; y uno de 32 mm, solo 0,024 bar. Duplicar el diámetro de la tubería principal puede costar poco y se paga con la energía del compresor.

Velocidad del aire y consumo

La velocidad recomendada es 5 a 10 m/s en redes y hasta 15 m/s en tramos cortos; en la red principal conviene que no pase de 6 m/s para limitar la caída y el arrastre de gotas. Ojo: la velocidad es la real a la presión de la línea, no la de aire libre. Con 1200 L/min libres a 7,5 bar, un tubo de 25 mm lleva v = 4,9 m/s.

El consumo de un cilindro se calcula con el volumen de las cámaras llevado a aire libre: Q = V · (p + 1,013) / 1,013 por ciclo, multiplicado por la frecuencia de ciclos. Ese es el caudal que debes sumar para dimensionar el compresor, no el volumen "físico" del cilindro.

4. Fallas comunes, causas y acciones

Tabla de fallas comunes en sistemas neumáticos: pérdida de presión, actuador lento, movimiento errático, fugas de aire y sobrecalentamiento del compresor, con causas, síntomas, acciones y alertas importantes — Fallas comunes, causas y acciones, más alertas. Fuente: ficha técnica Welectronic.

La tabla de la ficha ya relaciona síntomas con causas. Lo que añadimos es un método para no adivinar: medir la presión en tres puntos (depósito, entrada del FRL y cámara del cilindro) y comparar. Cada caída entre dos puntos señala el tramo culpable.

Árbol de diagnóstico para un cilindro lento o sin fuerza: comprobar la presión en el depósito, la caída hasta el FRL, la presión después del regulador y la caída entre la válvula y el cilindro — Diagnóstico por puntos de medición. Diagrama original Welectronic.

Alertas importantes (de la ficha) con su porqué

No superar la presión máxima del equipo: el cilindro, la válvula y el FRL tienen presión máxima de placa (típicamente 10 bar); además un cilindro sobrepresionado golpea el final de carrera.
No cerrar salidas de aire sin válvula de alivio: un tramo cerrado entre dos válvulas con aire atrapado y calentamiento por sol puede sobrepresionarse.
Purgar el depósito diariamente: el agua acumulada se corroe por dentro y reduce la vida del recipiente. Los depósitos son recipientes a presión sujetos a inspección según la normativa local.
No usar aire comprimido para limpieza personal: un chorro a 7 bar puede introducir aire bajo la piel o dañar los ojos.
Respetar capacitación y normas de seguridad (ISO 4414 para sistemas neumáticos; consulta la norma local aplicable).

5. Selección rápida de componentes

Tabla de selección rápida de componentes neumáticos con criterios, rangos recomendados y notas para compresor, depósito, secador, FRL, válvulas, actuadores y tuberías; tuberías recomendadas por material y conexiones comunes — Selección rápida de componentes, tuberías y conexiones. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Corrección al póster (depósito): la ficha recomienda "Volumen: 10 a 20 L por cada 1 m³/min". Es entre 10 y 100 veces menos de lo que se usa en la práctica y haría cargar y descargar al compresor casi continuamente. La regla que sí se defiende con números es calcular el volumen para el número máximo de ciclos por hora del compresor:

V [L] = Q_comp [L/s] · p_atm [bar] · t_ciclo [s] / (4 · Δp [bar])

donde Δp es la histéresis del presostato y t_ciclo = 3600 / (ciclos por hora). Para un compresor de 1,2 m³/min (20 L/s), Δp = 0,7 bar y 20 ciclos por hora (t = 180 s) sale 1.303 L, es decir, alrededor de 1.100 L por m³/min. Con modulación o con regulación de velocidad puede bastar mucho menos (del orden de 100 a 400 L por m³/min). Valida la regla con el fabricante de tu compresor (cada marca da su recomendación).

Resto de criterios (con ajustes)

Compresor: caudal total = suma de consumos × factor de simultaneidad + 20 % de margen y de futuras ampliaciones, en aire libre. Presión de corte: la que necesita el equipo más exigente + pérdidas de la red (≈ 1 a 1,5 bar), no "lo más alto posible".
Secador: se elige por caudal nominal y por el punto de rocío requerido. Ojo con las condiciones de diseño: un secador refrigerativo da su caudal nominal a 35 °C de temperatura de entrada y 7 bar; con 40 °C y 50 °C de ambiente rinde bastante menos (valida con las curvas del fabricante).
FRL: por caudal nominal (Qn) a la presión de trabajo y con ΔP de 1 bar según ISO 6358; la rosca (G1/4, G1/2) no es el criterio. Un FRL chico es una de las causas más comunes de cilindros lentos.
Válvulas: tipo y tamaño según el caudal requerido (coeficiente CV o Qn), compatibilidad con el aire (con o sin lubricación) y tiempo de respuesta.
Actuadores: diámetro y carrera según la fuerza y la carrera necesarias (ver sección 3), con presión de trabajo 4 a 8 bar.
Tuberías: el diámetro interior según caudal y longitud (ver gráfico); aluminio, cobre o poliamida; para ramales cortos poliuretano o poliamida. Evita acero negro o galvanizado que se oxida por dentro.

Instalación de la red

6. Simulador de la línea neumática completa

Este simulador reproduce toda la línea, del compresor al actuador: compresor con arranque y paro por presostato (con histéresis), depósito, secador, filtro de línea, tubería (diámetro, longitud y codos), unidad FRL, válvula 5/2, cilindro con carga y fugas. Los manómetros marcan la presión en cada punto y la tabla y la cascada de pérdidas muestran dónde se va. Haz clic en cualquier componente para ver su ficha. Prueba lo siguiente:

En Red de tuberías baja el diámetro a 12 o 16 mm y observa cómo cae la presión en el cilindro y sube el tiempo de ciclo; vuelve a subirlo.
Ensucia el filtro del FRL (Filtros y fuga) y mira cómo cae la presión y aparece la alarma de fuerza insuficiente.
Agrega una fuga y mira cómo el compresor pasa más tiempo en carga y el gasto de energía se dispara.
Sube la presión de regulación sin cambiar nada más: verás que el cilindro gana fuerza pero el consumo de aire también aumenta.
Usa los casos (línea sana, planta con problemas, línea optimizada) y el modo diagnóstico para practicar.

Qué hace el modelo: pérdidas de tubería con Darcy–Weisbach (aire a presión media, factor de fricción de Swamee–Jain), codos con K = 0,9, pérdidas de filtros, secador, lubricador y válvula proporcionales al cuadrado del caudal y al grado de obstrucción, regulador con caída de regulación, fuga como orificio con flujo crítico, depósito con histéresis del presostato, cilindro por equilibrio de fuerzas con fricción y velocidad por el regulador de caudal, y energía con 6,8 kW por m³/min. Es un modelo didáctico: las tendencias son reales y las cifras absolutas, típicas. Para dimensionar usa los datos del fabricante y las normas.

7. Casos reales

Los casos son ilustrativos: combinan situaciones muy comunes en plantas, con cifras redondeadas que puedes reproducir en el simulador.

Caso 1: el cilindro de la empacadora "va lento" y nadie encuentra el motivo

Planta y síntoma: Línea de empaque con un cilindro Ø63 que tarda 1,4 s en avanzar (antes 0,5 s). Se cambió el cilindro dos veces sin éxito.
Diagnóstico: Se midió la presión en tres puntos. Depósito 7,9 bar, entrada del FRL 7,7 bar (normal), cámara del cilindro 5,2 bar al moverse. Caída de 2,5 bar entre la entrada y el cilindro: el vaso del filtro estaba saturado de condensado y aceite y el elemento obstruido (ΔP 0,9 bar), además la manguera de 6 mm del tramo final era corta para ese caudal.
Solución: Cambiar el elemento filtrante, poner purga automática en el filtro, subir la manguera final a 10 mm y acercar el FRL a la válvula. La presión en la cámara pasó de 5,2 a 6,0 bar.
Lección: Si cambias el actuador y el problema sigue, mide antes de cambiar piezas. Con el método de los tres puntos se encuentra el tramo culpable en minutos.

Caso 2: el compresor "no para" y la factura de energía sube

Síntoma: Un compresor de 15 kW trabaja casi todo el tiempo en carga, incluso sábado y domingo cuando la planta está parada.
Diagnóstico: Con la planta parada, se cerró la válvula de salida del compresor y se midió la caída de presión del depósito: de 8 a 7 bar en 3 minutos. Con la válvula abierta se buscó con detector ultrasónico y espuma jabonosa: fugas en racores rápidos, mangueras agrietadas y una válvula de purga abierta.
Números: Un orificio de 3 mm a 6 bar deja salir 466 L/min de aire libre (0,47 m³/min). A 6,5 kW por m³/min son 3,03 kW y, en 8.000 h al año, 24.256 kWh: unos S/ 9.703 al año con una tarifa supuesta de S/ 0,40 por kWh. Se encontraron varias fugas de este orden.
Solución: Etiquetar y reparar cada fuga, instalar una válvula de corte en los fines de semana y repetir la prueba mensualmente. El tema se profundiza en la publicación sobre fugas de aire de la serie.

Caso 3: agua en las válvulas en la época húmeda

Síntoma: Cada verano, entre enero y marzo (humedad alta en el Callao), aparecen válvulas pegadas, cilindros que se oxidan y agua en los silenciadores.
Diagnóstico: El secador refrigerativo estaba dimensionado para 25 °C de temperatura de entrada y recibía aire a 40 °C porque el postenfriador estaba tapado de polvo. Además la purga automática del depósito estaba bloqueada. A 40 °C y 7 bar, el aire saturado lleva casi 70 % más vapor de agua que a 30 °C, y el secador no alcanzaba a quitarlo.
Solución: Limpiar el postenfriador y cambiar la purga, instalar un filtro coalescente después del secador y verificar el punto de rocío con un higrómetro portátil (objetivo: ≤ 3 a 7 °C a presión).
Lección: El secador solo cumple si el aire llega a la temperatura para la que fue diseñado. La "calidad del aire" empieza en el postenfriador.

Caso 4: bajar la presión de regulación y ahorrar sin perder fuerza

Planta: Una línea con cilindros Ø50 que mueven cargas de 400 N usa regulación a 7 bar "por si acaso".
Análisis: La fuerza necesaria es 400 N: con un cilindro Ø50 (A = 19,6 cm²) y una eficiencia de 0,9 se necesitan solo 2,3 bar en la cámara para moverla; con 50 % de margen y 1 bar de pérdidas de la línea bastan 4,5 a 5 bar, no 7.
Efecto: Bajar de 7 a 5 bar baja el consumo de aire de los cilindros (menos masa de aire por carrera) y, al bajar la presión de corte del compresor, reduce alrededor de 7 % de energía por cada bar menos. Los cilindros se mueven más suave y con menos golpe en el final de carrera.
Lección: La presión mínima suficiente es una decisión de diseño, no un "valor de fábrica". Compruébala en el simulador con distintas presiones de regulación.

8. Resumen, errores comunes y glosario

Cheat-sheet

Orden de la línea: compresor → postenfriador → depósito → secador → filtros → red → FRL → válvula → actuador.
F = P · A (manométrica), con la corona en el retroceso y entre 5 y 15 % menos por fricción.
Q_{aire libre} por ciclo = V_cámaras · (p + 1,013) / 1,013.
Red principal: Δp ≤ 0,1 bar, v ≤ 6 m/s; pérdida total de la línea del compresor al equipo: ≤ 10 % de la presión del compresor (< 1 bar).
Medir en tres puntos: depósito, entrada FRL y cámara del cilindro.
Agua: punto de rocío menor que la temperatura más fría de la red, y purgas automáticas.

Errores comunes

Dimensionar el FRL por la rosca y no por el caudal.
Subir la presión del regulador para compensar una caída que en realidad es un filtro sucio o un tubo chico.
Instalar el FRL lejos de la válvula, con mangueras largas y finas entre ellos.
No purgar el depósito ni verificar las purgas automáticas.
Calcular el compresor con el caudal "físico" de los cilindros en lugar del consumo en aire libre.

Glosario

FRL: unidad de mantenimiento: filtro, regulador y lubricador.
ANR / aire libre: condiciones de referencia de caudal (≈ 1,013 bar, 20 °C).
Histéresis del presostato: diferencia entre la presión de arranque y la de paro del compresor.
Punto de rocío a presión: temperatura a la que el vapor de agua comienza a condensar a la presión de la red.
CV / Qn: medidas del caudal que deja pasar un componente.
Caída de presión: pérdida de presión por fricción entre dos puntos.

Fuentes y qué debes validar

ISO 1219-1 (símbolos gráficos neumáticos e hidráulicos), ISO 8573-1 (clases de pureza), ISO 6358 (caudal de componentes), ISO 4414 (reglas generales de neumática): consulta las ediciones vigentes.
Clases de ISO 8573-1, el 7 % por bar y el volumen de depósito dependen de fuentes de fabricantes: Franco debe validarlos con el fabricante de sus equipos y con la norma.
Los símbolos dibujados aquí son esquemáticos (en especial el del secador): verifica con ISO 1219-1.

✅ 5 Problemas Resueltos

Problema 1: Un cilindro de doble efecto tiene un émbolo de D = 63 mm y un vástago de d = 20 mm. Con 6 bar manométricos en la cámara, calcula la fuerza teórica en el avance y en el retroceso, y la fuerza útil con una eficiencia de 90 %.

Solución:
A_avance = π × 0,063² / 4 = 31,17 cm² (0,003117 m²)
A_retroceso = π (0,063² − 0,020²) / 4 = 28,03 cm²
F_avance = 6 × 10⁵ × 0,003117 = 1.870 N
F_retroceso = 6 × 10⁵ × 0,002803 = 1.682 N
Útil (90 %): avance = 1.683 N; retroceso = 1.514 N. En el retroceso se pierde el 10 % del área.

Problema 2: El mismo cilindro (D = 63, d = 20 mm) tiene una carrera de 200 mm y da 15 ciclos por minuto (un avance y un retroceso por ciclo) con 6 bar. ¿Cuánto aire libre consume?

Solución:
Volumen por ciclo = (A_avance + A_retroceso) × L = (0,003117 + 0,002803) × 0,2 = 1,184 L (0,001184 m³)
Factor a aire libre = (6 + 1,013)/1,013 = 6,92
Aire libre por ciclo = 1,184 × 6,92 = 8,20 L
Consumo = 8,20 × 15 = 123 L/min de aire libre (≈ 0,12 m³/min). No incluye las pérdidas por fugas ni las líneas de conexión.

Problema 3: Una línea de 60 m con 8 codos lleva 1200 L/min de aire libre a 7,5 bar manométricos. Compara la caída de presión con tubería de 25 mm y de 32 mm (Darcy–Weisbach).

Solución:
Tubería de 25 mm: v = 4,9 m/s, Δp = 0,082 bar.
Tubería de 32 mm: v = 3,0 m/s, Δp = 0,024 bar (≈ 3,4 veces menos).
La de 25 mm cumple el límite de 0,1 bar con poco margen; la de 32 mm sobra y deja espacio para futuras ampliaciones. Con 20 mm la caída sube a 0,25 bar, inaceptable para una línea principal. (Cálculo con aire a la presión media y factor de fricción de Swamee–Jain, rugosidad 0,045 mm.)

Problema 4: Un compresor de 1,2 m³/min tiene un presostato con histéresis de 0,7 bar. Dimensiona el depósito para no pasar de 20 ciclos por hora y calcula cuántos ciclos por hora daría con un depósito de 500 L.

Solución:
Q = 1200 L/min = 20 L/s; t_ciclo = 3600/20 = 180 s.
V = Q · p_atm · t / (4 · Δp) = 20 × 1,013 × 180 / (4 × 0,7) = 1.303 L (≈ 1.300 L).
Con 500 L: t_ciclo = 4 × 500 × 0,7 / (20 × 1,013) = 69,1 s → 52 ciclos/hora, demasiados para un motor eléctrico de potencia media (arranques frecuentes calientan el motor). Si el compresor tiene regulación continua de velocidad o carga/vacío con motor siempre girando, el requisito es mucho menor.

Problema 5: Una fuga equivale a un orificio de 3 mm a 6 bar manométricos. Calcula el caudal de aire libre (flujo crítico, Cd = 0,8) y su costo anual con 6,5 kW por m³/min, 8.000 h y S/ 0,40 por kWh.

Solución:
Presión absoluta = 7,013 bar, mayor que 1,893 veces la atmosférica: flujo crítico.
ṁ = Cd · A · p · √(k/(R·T)) · (2/(k+1))^{(k+1)/(2(k−1))}, con A = 7,07×10⁻⁶ m², p = 7,013×10⁵ Pa, k = 1,4, R = 287 J/(kg·K) y T = 293 K: ṁ = 9,36 g/s
ρ_libre = 1,204 kg/m³ → Q = 7,8 L/s = 466 L/min.
Potencia = 0,466 × 6,5 = 3,03 kW; energía = 24.256 kWh/año; costo = S/ 9.703 al año. (Cd = 0,8 es un valor supuesto; con Cd = 1 sería un 25 % más.)

🏋️ 5 Ejercicios Propuestos

Ejercicio 1: Un cilindro Ø100 mm trabaja a 5 bar con una eficiencia de 90 % en el avance. ¿Cuál es la fuerza útil?

A = π × 0,1² / 4 = 7,854×10⁻³ m²; F = 0,9 × 5×10⁵ × 7,854×10⁻³ = 3.534 N.

Ejercicio 2: Un cilindro Ø40 mm con vástago de 16 mm, carrera de 150 mm y 20 ciclos por minuto, trabaja a 6 bar. ¿Cuánto aire libre consume?

V = (A_av + A_ret) × L = (12,57 + 10,56) cm² × 15 cm = 347 cm³ = 0,347 L por ciclo; × 6,92 = 2,40 L; × 20 = 48,0 L/min.

Ejercicio 3: Debes mover una carga de 800 N con un cilindro Ø50 mm (eficiencia 90 %). ¿Qué presión mínima en la cámara necesitas y qué presión de regulación pondrías?

p = F / (η · A) = 800 / (0,9 × 1,963×10⁻³) = 452.707 Pa ≈ 4,5 bar mínimos. Con 40 a 50 % de margen y las pérdidas de la línea, regula entre 6 y 6,5 bar.

Ejercicio 4: Un depósito de 500 L está a 8 bar y la demanda es de 600 L/min de aire libre con el compresor parado. ¿Cuánto tarda en bajar a 7,3 bar?

t = V · Δp / (p_atm · Q) = 500 × 0,7 / (1,013 × 600) = 0,576 min = 34,5 s.

Ejercicio 5: ¿Qué velocidad lleva el aire en una tubería de 25 mm si circulan 1200 L/min de aire libre a 7 bar manométricos?

Caudal real = 20 L/s × 1,013 / 8,013 = 2,53 L/s = 2,53×10⁻³ m³/s; área = 4,909×10⁻⁴ m²; v = 5,2 m/s, dentro de 5 a 10 m/s y por debajo de los 6 m/s que conviene no superar en la red principal.