Sistema Aire Comprimido

El Aire Comprimido

El aire comprimido en los buques es algo esencial, sus usos son múltiples.
En los buques de superficie se usa:
Para arrancar motores, para apertura y cierre de válvulas neumáticas, para la limpieza de las cajas de las válvulas de fondo, para hacer que funcione el tifón, (pito de los barcos) para el funcionamiento de herramientas neumáticas....

En los submarinos es muy importante el aire comprimido pues a las utilidades que tiene en cualquier barco se deben añadir las de soplado de tanques, cierre y apertura de las válvulas neumáticas del snorkel, nivelación del submarino soplando unos tanques e inundando otros, tubos lanzatorpedos, esmerilado de válvulas de exhaustación......

Una instalación de aire consta de dos elementos importantes: el compresor y las botellas para almacenar el aire que éste produce.

El Compresor

Es esencialmente una bomba que aumenta la presión de un gas reduciendo su volumen, los hay de tres clases:
De embolo, centrífugo y rotativo.
Se clasifican también según la presión que proporcionan sea alta, media o baja presión.

En los buques se emplea alta presión para arranque de motores principales, tubos lanzatorpedos, catapultado de aviones, artillería y soplado de tomas de mar; en submarinos para arranque de motores diesel y alimentación de los pianos de media y baja presión; la media presión se emplea en los buques, para el arranque de motores auxiliares y de emergencia, para maquinaria de cámaras frigoríficas, y para artillería; la baja presión se emplea para, funcionamiento de máquinas neumáticas, aire de barrido de los motores diesel, funcionamiento del tifón, limpieza de tuberías, limpieza de calderas y condensadores; en los submarinos se usa además de los ya comentados, para soplado de tanques, nivelado del submarino, purgado, funcionamiento de algunas válvulas sanitarias (w.c.) tubos lanzatorpedos y snorkel.

El compresor puede ser accionado por una turbina, un motor eléctrico o una máquina alternativa (vapor o diesel)

El aire que produce un compresor es almacenado en botellas a una presión de unas 200 atmósferas o más, de las cuales se extrae el aire necesario para el oportuno uso.
El compresor de émbolo que fue uno de los más usados, consta de uno o varios cilindros dentro del cual se mueven los pistones con al menos dos válvulas por cilindro una de las cuales es de aspiración y la otra de descarga, la apertura y cierre es automática y por diferencia de presión entre ambas caras de las válvulas.

1-	Válvula de aspiración
2-	Válvula de descarga
3-	Cámara de compresión
4-	Aros o segmentos
5-	Pistón
6-	Bulón de la biela
7-	Camisa
8-	Biela
9-	Cigüeñal y eje

Funcionamiento

El funcionamiento es como sigue: El aire es aspirado a través de un filtro y entra por la válvula (1) que se abre por efecto de la succión provocada por el pistón (5) en su trayectoria descendente al llegar a la parte más baja el pistón comienza de nuevo su ascenso impulsado siempre por la biela (8) que gira solidariamente movida por el cigüeñal (9) al subir cierra la válvula (1) y comprime el aire aspirado que a su vez empuja la válvula de descarga (2) la cual se abre y permite que dicho aire salga en dirección de la botella en la cual se almacena el aire ya comprimido.

Tanto el compresor como la botella disponen de válvulas de seguridad que se abren en el momento en que la presión del aire supera el límitre preestablecido.

La compresión, teniendo en cuenta que el gas o aire al ser comprimidos generan calor, puede ser isotérmica o adiabática. Se procura hacer que sea isotérmica para tener un menor trabajo de compresión, refrigerando las paredes de los cilindros aunque a causa de que la refrigeración no es completa se tiene una compresión politrópica que está en una situación intermedia entre la isotérmica y la adiabática.

Una de las formas de mantener la compresión isotérmica y para presiones superiores a los 6 kilos es fraccionar la compresión en varias fases o etapas enfriándole aire en un enfriador intermedio entre dos etapas el sistema de compresión por fases ofrece varias ventajas: disminución de la temperatura, distribución de esfuerzos más uniforme, mayor rendimiento volumétrico y ahorro de trabajo debido a la refrigeración intermedia. La temperatura máxima final puede alcanzar los 160º y para evitar problemas con el aceite de engrase interior se dota al compresor de purgas y separadores en cada una de las fases o etapa, además se provee de las válvulas de seguridad precisas para que en caso de sobrepasar el aire o gas la presión preestablecida no se produzcan explosiones u otro tipo de averías y también de separadores y purgadores para extraer o separar el agua y el aceite mezclados con el aire.

El agua llega al compresor por causa de la humedad del aire, el aceite por causa del mismo aceite usado para el engrase.

1-	Circuito de aspiración de aire
2-	Cámara de compresión de la tercera fase
3-	Cámara de compresión de la primera fase
4-	Aros o segmentos
5-	Cilindro
6-	Pistón de las primera y tercera fase
7-	Biela
8-	Cigüeñal
9-	Enfriadores
10-	Cilindro
11-	Cámara de compresión de la cuarta fase
12-	Aros o segmentos
13-	Cámara de compresión de la segunda fase
14-	Pistón de la segunda y cuarta fase
15-	Polea o acoplamiento al motor eléctrico

Funcionamiento

Durante la aspiración del pistón (6) el aire entra en la cámara (3) procedente del filtro y en la (2) procedente de la (11), mientras en el cilindro (14) se comprime el aire que contienen las cámaras (13) y (11), el aire de la cámara (13) ya comprimido parcialmente, se inyecta en la cámara (2) que como vemos se encuentra en proceso de aspiración y el de la (12) que ya ha terminado su ciclo sale por la descarga hacia la botella de aire comprimido.

Cuando el pistón (6) asciende, descarga el aire comprimido, entonces, el aire de la cámara (3) pasa a la cámara (13) y el de la cámara (2) pasa a la (11).

El compresor eléctrico se usaba en ocasiones en inmersión para bajar la sobre presión formada dentro del submarino.

1-	Filtro de aspiración de aire
2-	Bloque superior de la tercera fase
3-	Bloque superior de la cuarta fase
4-	Válvulas de seguridad
5-	Amperímetro para medir el consumo del motor eléctrico
6-	Caja de conexiones y/o fusibles
7-	Motor eléctrico
8-	Bloque inferior de las primera y segunda fase.

Junto al compresor eléctrico en los submarinos alemanes de la segunda guerra mundial se emplearon compresores de pistón libre de cuatro etapas o fases, que trabajaban según el procedimiento diesel de dos tiempos, con ellos se producía aire comprimido, eran más eficientes que los compresores eléctricos, pero tenían el inconveniente de que solo podían ser utilizados en superficie porque incluso navegando con snorkel no tenían capacidad suficiente para contrarrestar la contrapresión de los gases de escape.

Válvulas de drenaje

Los compresores tienen unas válvulas de drenaje que sirven para purgar o drenar el agua que procedente del aire aspirado se introduce en el compresor. Hay una válvula para cada fase y periódicamente se abren para purgar el agua

1-	Tapa de acceso para reparaciones
2-	Válvula de drenaje de la fase o etapa 4
3-	Válvula de drenaje de la fase o etapa 1
4-	Válvula de drenaje de la fase o etapa 2
5-	Válvula de drenaje de la fase o etapa 3
6-	Tubos del compresor
7-	Carter del compresor
8-	Tapón de vaciado de aceite
9-	Tornillos y soportes de anclaje del compresor

Compresor Junkers 4FK 115 K de pistón libre

El compresor de pistón libre Junkers fue instalado y usado en los U-boote alemanes durante la Segunda Guerra Mundial; concretamente los Tipo VII C montaban uno de éstos compresores que posteriormente y en número de dos fueron instalados en los Tipo IX y XXI.

Recibían la denominación de pistón libre porque carecían de elementos comunes a otros motores diesel como podían ser los cigüeñales, ejes de levas, balancines y todos esos elemento asiduamente encontrados en cualquier motor de combustión interna el pistón se movía libremente dentro de su cilindro y sujeto a dos cilindros correspondientes a dos fases de compresión. El compresor Junkers 4FK 115 K tenía dos pistones libres, cada uno de los cuales movía dos pistones de diferentes diámetros para dos fases de compresión en una cabeza del mismo se encontraban las fases de compresión 1 y 4 mientras en la otra se encontraban las fases 2 y 3 la distribución (bombas de combustible y engrase) corria a cargo de dos engranajes movidos por dos barras de cremallera unidas a los pistones por medio de dos brazos en cada uno de ellos (ver dibujo)

Éste tipo de compresores tenían sobre los eléctricos la ventaja de su bajo consumo.
El arranque y parada de estos compresores Junkers tenia unas características muy inusuales que describimos a continuación.
En el momento inicial entra el fuel dentro de la cámara de combustión. al tiempo se tira de la palanca de arranque para llevar los pistones al punto muerto superior PMS en cuyo momento la mezcla de aire calentado por la presión produce la explosión de la mezcla impulsando los pistones hacia los extremos, comprimiendo el aire de una de las fases y aspirando por la otra; la propia fuerza de la compresión obliga al pistón a retroceder hacia el punto muerto superior PMS donde de nuevo se produce la explosión de la mezcla reiniciando el ciclo. No existe un momento de fuerza inherente a la máquina por lo que el motor se para de inmediato si se corta la alimentación de combustible.

Los pistones libres tenían un diámetro de 115 mm. y daban una potencia de entre 40 y 45 caballos proporcionando a la salida de aire una presión superior a los 150 Kgs./cm. cuadrado o superior a 2850 P.S.I..

Los diámetros de los pistones del compresor tenían a su vez un diámetro de :

Fase 1.- 210 mm.
Fase 2.- 105 mm.
Fase 3.- 42 mm.
Fase 4.- 24mm.

Al igual que el compresor eléctrico la compresión se realizaba partiendo de la Fase 1 que introducía el aire comprimido en la Fase 2 donde aumentaba la presión del aire que pasaba a la Fase 3 de ésta pasaba a la Fase 4 de donde ya salía a la presión máxima entre las diferentes fases había unos tubos enfriadores que enfriaban el aire ya comprimido (ya vimos en el apartado de los compresores eléctricos que el aire al ser comprimido calienta)

En los siguientes dibujos y fotos podemos ver como era un compresor Junkers y hacernos una idea de cómo funcionaba.

1.- Carcasa de las etapas 1 y 4, 2.- Soporte de manómetros y manómetros 3.- Tirador de arranque 4.- Válvula y tubo de combustible 5.- Carcasa intermedia del motor 6.- Bomba de aceite de engrase 7.- Palanca de arranque 8.- Válvula de arranque manual 9.- Válvulas de seguridad 10.- Indicador y/o regulador de carrera 11.- Palanca de la bomba 12.- Boquilla inyectora de combustible 13.- Bomba de combustible 14.- Inyector de combustible 15.- Tubo de exhaustación o escape 16.- Vaso del flotador de la bomba de inyección 17.- Carcasa o cuerpo del motor 18.- Carcasa de las fases 2 y 3 19.- Tubos enfriadores del aire comprimido 20.- Soportes de los tubos enfriadores 21.- Distribuidor de aire de arranque 22.- Manómetro y acoplamiento botella de aire comprimido 23.- Botella de aire comprimido

A la vista de la foto podemos suponer como arrancaba el compresor:

El primer paso sería desplazar el tirador de arranque (3) para abrir la válvula de combustible que quedaría trabada por una especie de gatillo, a continuación se abriría la válvula de arranque (8) con ayuda de la palanca de arranque (7) en ese momento el combustible pulverizado y a través de la bomba de combustible (13) el inyector de combustible (14) y la boquilla inyectora de combustible (12) entraría en la cámara de combustión, solo quedaría tirar de la palanca de la bomba para desplazar los pistones hacia el punto muerto superior con ayuda del piñón de distribución de la bomba de combustible lo que pondría en marcha el compresor.
Para pararlo nada tan sencillo como desplazar el tirador de arranque a la posición inicial liberando la válvula de paso y cortando el suministro de combustible.
Este tipo de compresores tal y como ya hemos comentado era muy silencioso y consumían muy poco, menos que los compresores eléctricos pero su uso durante la inmersión era imposible incluso usando snorkel

1.- Tapa de los pistones Etapas 1 y 4, 2.- Carcasa de las etapas 1 y 4, 3.- Indicador de tiempo de funcionamiento 4.- Tirador de arranque 5.- Carcasa intermedia del motor 6.- Bomba de aceite de engrase 7.- Válvula de arranque manual 8.- Bomba de combustible 9.- Inyector de combustible 10.- Vaso del flotador de la bomba de inyección 11.- Carcasa o cuerpo del motor 12.- Carcasa de las fases 2 y 3 13.- Mirilla de control paso de agua de refrigeración 14.- Tubería de agua de refrigeración 15.- Válvula de parada o apagado 16.- Válvula reguladora de presión 17.- Tubería de salida de aire a presión 18.- Grifos o válvulas de purga 19.- Soportes de los enfriadores 20.- Válvulas de seguridad 21.- Indicador o regulador de carrera 22.- Distribuidor aire de arranque 23.- Palanca de arranque 24.- Tubo enfriador 25.- Manguitos de goma 26.- Entrada de aire exterior a la Etapa 1 27.- Entrada aire limpio 28.- Perfiles en U para anclaje del compresor 29.- Bomba de agua de refrigeración 30.- Acoplamiento del tubo de los gases de escape (en el centro de ve el cilindro y las lumbreras u orificios de escape) 31.- Palanca de la bomba

1.- Entrada aire comprimido procedente de la etapa 3 2.- Válvula de sombrero, válvula de cabeza 3.- Pistón del compresor etapa 1 4.- Tomas o conexiones de aceite de engrase 5.- Lumbreras 6.- Cilindro del compresor de la etapa 1 7.- Placa circular de válvulas 8.- Tirador de arranque (en los esquemas de perfil y planta viene con la marca 4) 9.- Gatillo de arranque 10.- Válvula de combustible 11.- Tubo de combustible 12.- Lumbreras de paso de aire limpio 13.- Boquilla inyectora de combustible 14.- Salida de gases de exhaustación (escape) 15.- Lumbreras de escape 16.- Pistón del compresor de la etapa 2 17.- Pistón del compresor de la etapa 3 18.- Cilindro del compresor de la etapa 2 19.- Cilindro del compresor de la etapa 3 20.- Salida de aire comprimido de la etapa 3 21.- Placa de válvulas etapa 3 22.- Válvula etapa 2 23.- Grifos de purga 24.- Brazos de la distribución (ver esquema de la distribución) 25.- Pistones del motor 26.- Cilindro motor 27.- Pozo o carter del aceite de engrase 28.- Pistón y vástago del compresor de la etapa 4 29.- Salida de aire comprimido desde la etapa 4.

Esquema interior de la distribución del compresor Junkers

1-	Pistón de la fase 4 del compresor
2-	Pistón de la fase 1 del compresor
3-	Aros del pistón de la fase 1
4-	Disco o placa de válvulas
5-	Vástago del pistón de la fase 4
6-	Eje de transmisión para la distribución de bombas de aceite y agua de refrigeración
7-	Barras de cremallera de los piñones o engranajes de distribución y arranque
8-	Piñón o engranaje de la distribución de agua y aceite
9-	Pistones del motor
10-	Pistón del compresor de la fase 2
11-	Vástago del pistón de la fase 3
12-	Pistón del compresor de la fase 3
13-	Brazos de la distribución
14-	Piñón o engranaje de la distribución de combustible y del arranque
15-	Eje de transmisión para la distribución de bomba de combustible y para la palanca de arranque
16-	Aro de junta del disco o placa de válvulas y pistón de la fase 1

Manómetros del compresor Junkers

1-	Manómetro de la fase 1 en la parte sombreada que marca el número vemos la presión de trabajo de dicha fase que está comprendida entre los 2,6 kilos y los 3,2 kilos por centímetro cuadrado.
2-	Manómetro de la fase 2 en ésta fase y como volvemos a ver en esa parte sombreada la presión de trabajo está dentro de un margen de entre 10,5 kilos y 13 kilos por centímetro cuadrado
3-	Manómetro de la fase 3, con una presión de entre 42 y 56 kilos por centímetro cuadrado
4-	Manómetro de la fase 4, es el manómetro que ya nos indicaría la presión de aire en la fase final o a la salida y está comprendida entre los 150 y los 210 kilos de presión por centímetro cuadrado.

Al igual que en el caso del compresor eléctrico una presión inferior indicaría un fallo en la fase correspondiente achacable a diferentes tipos de avería en pistones o válvulas, una presión superior indicaría a su vez fallos en válvulas, obstrucción de tuberias o galerías y lo más peligroso fallos en válvulas de seguridad que deben abrirse cuando las presiones superen las de trabajo para de ese modo purgar y disminuir la presión en la fase o línea correspondiente

Botellas de aire comprimido

En los buques de superficie hay por lo general dos botellas de aire comprimido en algunos casos puede haber alguna más una o dos pueden ser las principales para todos los usos y el resto algo más pequeñas para casos de emergencia.

En los submarinos hay varias botellas de acero colocadas en diferentes partes del sumergible o submarino pueden ir dentro o fuera del casco resistente y van por lo general en grupos de dos o tres botellas con un volumen por botella que puede llegar a ½ metro cúbico.

La cantidad de aire comprimido que puede tener un submarino varía según su profundidad operativa, el tipo y el tamaño. En el caso de los sumergibles es necesaria una mayor cantidad de aire comprimido pues por sus características sus maniobras de inmersión y vuelta a la superficie son frecuentes por tanto necesitan también un mayor número de botellas.

En la imagen anterior podemos ver una de esas botellas y en las de abajo las correspondientes a tubos lanzatorpedos.

Tubo lanzatorpedos de popa y botella

1-	Tapa del tubo lanzatorpedos de popa
2-	Tubo lanzatorpedos de popa
3-	Conducto de aire para el disparo automático
4-	Válvula de disparo
5-	Conducto de aire entre la botella y el tubo lanzatorpedos
6-	Bomba hidráulica de los timones verticales
7-	Motor de la bomba hidráulica
8-	Botella de aire para el tubo lanzatorpedos
9-	Pistón de expulsión del torpedo, se usa para evitar que las burbujas salgan y delaten la presencia y posición del submarino

Botellas de tubos lanzatorpedos de proa y estribor

1-	Tubos lanzatorpedos de proa a estribor (I y IV)
2-	Válvula de disparo
3-	Embudo y tubo para desagüe de aguas residuales a las sentinas
4-	Conducto de aire entre botella y válvula
5-	Botellas de aire de los tubos lanzatorpedos
6-	Cabezas de las botellas con válvulas y conexiones.

Válvulas

Para enviar el aire a los diferentes tanques y aparatos se agrupan las válvulas en colectores o distribuidores también llamados pianos. Salvo para alta presión el resto tiene una válvula reductora que hace que la presión que pasa por ella disminuya y pueda ser usada para otros trabajos, para la alta presión de torpedos el piano correspondiente esta cerca de los tubos o en la central. El resto se coloca en la central del submarino para controlar el soplado y otros servicios de aire comprimido.

Por lo general el piano de soplado tiene una válvula principal doble pues puede ocurrir que al hacer el soplado la que esta en uso se obstruya por efecto de la congelación causada por el aire húmedo del circuito.

Hay además un piano que controla los tanques de regulación cuya presión se regula a mano por medio de una válvula reductora situada entre éste y el piano de alta presión (Ver esquema de aire) Por último el piano de baja presión que también es regulado por una válvula reductora que mantiene la presión entre 10 y 12 atmósferas.
Todos los pianos tienen además dos válvulas, una de purga que se abre para eliminar el agua que eventualmente tengan y otra de seguridad timbrada para la máxima presión del piano correspondiente.

1-	Soplado del tanque de trimado de popa
2-	Descarga de purgas y válvulas de seguridad las sentinas
3-	Soplado del tanque de trimado de proa
4-	Soplado del tanque de lastre de estribor
5-	Soplado del tanque de lastre de babor
6-	Regulación del tanque de compensación de babor popa
7-	Regulación del tanque de compensación de babor proa
8-	Regulación del tanque de compensación de estribor proa
9-	Regulación del tanque de compensación de estribor popa
10-	Conducto de aire comprimido a la ventilación de babor
11-	Conducto de aire comprimido a la ventilación de estribor
12-	Conducto de aire a servicios sanitarios (w.c.)
13-	Conducto a otras botellas de aire comprimido
14-	Conducto hacia las botellas de los tubos lanzatorpedos
15-	Conducto hacia el snorkel
16-	Conducto a la bocina o tifón
17-	Conducto a otros servicios

Distribuidores o colectores de aire

1-	Colector o distribuidor de soplado de tanques
2-	Manómetro posiblemente de alta presión
3-	Colector o distribuidor posiblemente de alta presión
4-	Colector o distribuidor de baja presión

Manómetros de los compresores

Los manómetros de los compresores sirven para controlar la presión de las diferentes etapas o fases como se puede ver en las fotos en la mayoría de los manómetros hay unos sectores oscurecidos o coloreados que indican la zona en la que se encuentra la presión correcta fuera de esa zona hacia arriba o hacia abajo el exceso o defecto de presión indica una anomalía en el funcionamiento de la fase correspondiente y por tanto si el problema persiste se debe parar el compresor para revisar las válvulas o proceder a una revisión más completa del compresor.

Compresor y timón auxiliar

1-	Compresor
2-	Tubos del compresor
3-	Cables eléctricos del motor
4-	Amperímetro
5-	Caja de conexiones y/o fusibles.
6-	Caja de conmutación y mando del motor eléctrico
7-	Volante de conmutación y mando
8-	Motor eléctrico
9-	Mando auxiliar del timón
10-	Indicador del ángulo de metida del timón
11-	Cuadros eléctricos de los generadores/motores eléctricos principales y baterías

Manómetros del compresor eléctrico

1-	Rejilla de refrigeración del motor eléctrico del timón
2-	Manómetro de presión de aire de la primera fase o etapa
3-	Manómetro de presión de aire de la segunda fase
4-	Manómetro de presión de aire de la tercera fase
5-	Manómetro de presión de aire a la salida
6-	Manómetros de presión de aceite en los cilindros
7-	Filtro de aspiración de aire
8-	Válvulas de seguridad
9-	Bloque superior de la tercera fase
10-	Bloque superior de la cuarta fase
11-	Amperímetro para medir el consumo del motor eléctrico

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