INTRODUCCIÓN A LA NEUMÁTICA PRÁCTICA

 ¿QUE PUEDE HACER LA NEUMÁTICA?

Introducción

PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO

Disponibilidad Almacenamiento Simplicidad de diseño y control Elección de movimiento Economía Fiabilidad Resistencia al entorno Limpieza del entorno Seguridad Inversión Inicial Ruido Fuerza Velocidad

 http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica12.htm

INTRODUCCIÓN A LA NEUMÁTICA PRÁCTICA

Un sistema de potencia fluida es el que transmite y controla la energía por medio de la utilización de líquido o gas presurizado.

En la neumática, esta potencia es aire que procede de la atmósfera y se reduce en volumen por compresión, aumentando así su presión.

El aire comprimido se utiliza principalmente para trabajar actuando sobre un émbolo o paleta.

Aunque esta energía se puede utilizar en muchas facetas de la industria es el campo de la neumática industrial el que nos ocupa.

La utilización correcta del control neumático requiere un conocimiento adecuado de los componentes neumáticos y de su función para asegurar su integración en un sistema de trabajo eficiente.

Aunque normalmente se especifique el control electrónico usando un secuenciador programable u otro controlador lógico, sigue siendo necesario conocer la función de los componentes neumáticos en este tipo de sistema.

Este libro trata de la tecnología de los componentes de sistemas de control, describe tipos y características de diseño de equipos de tratamiento de aire, actuadores y válvulas, métodos de interconexión y presenta los circuitos neumáticos fundamentales.

¿ QUE PUEDE HACER LA NEUMÁTICA ?

Las aplicaciones del aire comprimido no tiene límites: desde la utilización, por parte del óptico, de aire a baja presión para comprobar la presión del filtro en el ojo humano, a la multiplicidad de movimientos lineales y rotativos en máquinas con procesos robóticos, hasta las grandes fuerzas necesarias para las prensas neumáticas y taladros neumáticos que rompen el hormigón.

La breve lista y los diagramas indicados más abajo sirven solamente para indicar la versatilidad y variedad del control neumático en funcionamiento en una industria en continua expansión.

Accionamiento de válvulas de sistema para aire, agua o productos químicos.

Accionamiento de puertas pesadas o calientes. Descarga de depósitos en la construcción, fabricación de acero,

minería e industrias químicas. Apisonamiento en la colocación de hormigón. Elevación y movimiento en máquinas de moldeo. Pulverización de la cosecha y accionamiento de otros equipos

del tractor. Pintura por pulverización. Sujeción y movimiento en el trabajo de la madera y la

fabricación de muebles. Montaje de planillas y fijaciones en la maquina de ensamblado y

máquinas herramientas. Sujeción para encolar, pegar en caliente o soldar plásticos. Sujeción para soldador fuerte y normal. Operación de conformado para curvado, trazado y alisado. Máquinas de soldadura fuerte y normal. Ribeteado. Accionamiento de cuchillas de guillotina. Máquinas de embotellado y envasado. Accionamiento y alimentación de maquinaria para trabajar la

madera. Plantillas de ensayo. Máquinas herramientas, mecanizado o alimentación de

herramientas. Transportadores de componentes y materiales. Robots neumáticos. Calibrado automático. Extracción del aire y elevación por vacío de placas finas. Tornos de dentista.

y mucho más...

PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO

Algunas razones importantes para la extensa utilización del aire comprimido en la industria son:

DisponibilidadMuchas fabricas e instalaciones industriales tienen un suministro de aire comprimido en las áreas de trabajo y compresores portátiles que pueden servir en posiciones más alejadas.

AlmacenamientoSi es necesario, se puede almacenar fácilmente en grandes cantidades.

Simplicidad de diseño y controlLos componentes neumáticos son de configuración sencilla y se montan fácilmente para proporcionar sistemas automatizados extensos con un control relativamente sencillo.

Elección del movimientoOfrece un movimiento lineal o rotación angular con velocidades de funcionamiento fijas continuamente variables.

EconomíaLa instalación tiene un costo relativamente bajo debido al costo modesto de los componentes. También el mantenimiento es poco costoso debido a su larga duración con apenas averías.

FiabilidadLos componentes neumáticos tienen una larga duración que tiene como consecuencia la elevada fiabilidad del sistema.

Resistencia al entornoA este sistema no le afectan ambientes con temperaturas elevadas, polvo o atmósferas corrosivas en los que otros sistemas fallan.

Limpieza del entornoEs limpio y, con un adecuado tratamientos de aire en el escape, se puede instalar según las normas de “Cuarto limpio”.

SeguridadNo presenta peligro de incendio en áreas de riesgo elevado y el sistema no está afectado por la sobrecarga, puesto que los actuadores se detienen o se sueltan simplemente. Los actuadores neumáticos no producen calor.

Inversión inicialEl costo de los componentes neumáticos puede considerarse un poco

elevado con respecto a otros sistemas (principalmente los eléctricos). La diferencia radica en la fiabilidad y duración, esto aunado al casi nulo mantenimiento, resulta una buena inversión.

Fig. 1. Relación entre el costo para las impulsiones eléctrica y neumática.

Las siguientes propiedades podrían clasificarse como desventaja, en comparación con otros sistemas de transmisión de energía.

RuidoBásicamente este inconveniente se presenta en el compresor, ya que a un metro de distancia produce un nivel de 75 dB.

FuerzaLos rangos de fuerza en los equipos neumáticos se encuentran entre los 9.81 N y los 29430 N.

VelocidadComparado con sistemas eléctricos, los equipos neumáticos resultan lentos ya que la Velocidad de desarrollo es hasta 1500 mm/seg.

 

EL SISTEMA NEUMÁTICO BÁSICO 

EL SISTEMA DE PRODUCCIÓN DEL AIRE Compresor Motor eléctrico

Presostato Válvula anti-retorno Depósito Manómetro Purga automática Válvula de seguridad Secador de aire refrigerado Filtro de línea

EL SISTEMA DE COSUMO DE AIRE

Purga de aire Purga automática Unidad de acondicionamientod e aire Válvula direccional Actuador Controladores de velocidad

EL SISTEMA NEUMÁTICO BÁSICO

Los cilindros neumáticos, los actuadores de giro y los motores de aire suministran la fuerza y el movimiento a la mayoría de los control neumático para sujetar, mover, formar y procesar el material.

Para accionar y controlar estos actuadores, se requieren otros componentes neumáticos, por ejemplo unidades de acondicionamiento de aire para preparar el aire comprimido y válvulas para controlar la presión, el caudal y el sentido del movimiento de los actuadores.

Un sistema neumático básico, ilustrado en la figura 2.1 se compone de dos secciones principales:

El sistema de producción. El sistema de consumo del aire.

Figura 2.1 El Sistema Neumático Básico

SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE AIRE

Las partes componentes y sus funciones principales son:

1.- CompresorEl aire tomado a presión atmosférica se comprime y entrega a presión más elevada al sistema neumático. Se transforma así la energía mecánica en energía neumática.

2.- Motor eléctricoSuministra la energía mecánica al compresor, transforma la energía eléctrica en energía mecánica.

3.- PresostatoControla el motor eléctrico detectando la presión en el depósito. Se regula a la presión máxima a la que desconecta el motor y a la presión mínima a la que vuelve a arrancar el motor.

4.- Válvula anti-retornoDeja el aire comprimido del compresor al depósito e impide su retorno cuando el compresor está parado.

5.- DepósitoAlmacena el aire comprimido. Su tamaño está definido por la capacidad del compresor. Cuanto más grande sea su volumen, más largos son los intervalos entre los funcionamientos del compresor.

6.- ManómetroIndica la presión del depósito.

7.- Purga automáticaPurga toda el agua que se condensa en el depósito sin necesidad de supervisión.

8.- Válvula de seguridadExpulsa el aire comprimido si la presión en el depósito sube encima de la presión permitida.

9.- Secador de aire refrigeradoEnfría el aire comprimido hasta pocos grados por encima del punto de congelación y condensa la mayor parte de la humedad del aire, lo que evita tener agua en el resto del sistema.

10.- Filtro de líneaAl encontrarse en la tubería principal, este filtro debe tener una caída de presión mínima y la capacidad de eliminar el aceite lubricante en

suspensión, sirve para mantener la línea libre de polvo, agua y aceite.

SISTEMA DE CONSUMO DE AIRE

1.- Purga del airePara el consumo, el aire es tomado de la parte superior de la tubería para permitir que la condensación ocasional permanezca en la tubería principal; cuando alcanza un punto bajo, una salida de agua desde la parte inferior de la tubería irá a una purga automática eliminando así el condensado.

2.- Purga automáticaCada tubo descendiente debe de tener una purga en su extremo inferior. El método más eficaz es una purga automática pie impide que el agua se quede en el tubo en el caso en que se descuide la purga manual.

3.- Unidad de acondicionamiento del aireAcondiciona el aire comprimido para suministrar aire limpio a una presión óptima y ocasionalmente añade lubricante para alargar la duración de los componentes del sistema neumático que necesitan lubricación.

4.- Válvula direccionalProporciona presión y pone a escape alternativamente las dos conexiones del cilindro para controlar la dirección del movimiento.

5.- ActuadorTransforma la energía potencial del aire comprimido en trabajo mecánico. En la figura se ilustra un cilindro lineal. pero puede ser también un actuador de giro o una herramienta neumática, etc.

6.- Controladores de velocidadPermiten una regulación fácil y continua de la velocidad de movimiento del actuador.

Estos componentes se ilustrarán con más detalle en los apartados del 4 al 7, tras estudiar la teoría del aire comprimido. Es imprescindible para comprender qué pasa en un sistema neumático.

TEORÍA DEL AIRE COMPRIMIDO 

UNIDADES Unidades de medida del Sistema Internacional

Unidades no métricas Presión

PROPIEDADES DE LOS GASES

Transformación isotérmica (Ley de Boyle) Transformación isobárica (Ley de Gay Lussac) Transformación isocórica Transformación adiabática Volumen estándar Gasto volumétrico Humedad del aire Presión y flujo

TEORÍA DEL AIRE COMPRIMIDO

UNIDADES

Para la aplicación práctica de los accesorios neumáticos, es necesario estudiar las leyes naturales relacionadas con el comportamiento del aire como gas comprimido y las medidas físicas que se utilizan normalmente.El sistema Internacional de unidades está aceptado en todo el mundo desde 1960, pero EE.UU., el Reino Unido y Japón siguen utilizando en gran medida el Sistema legal de pesas y medidas.

 

Magnitud SímboloUnidad

SINombre

1. UNIDADES BÁSICAS

Masa m kg. kilogramo

Longitud s m metro

Tiempo t s segundo

Temperatura Absoluta

T 2 °K Grado Kelvin

Temperatura (Celsius)

t,0 2 °CGrado Celsius O °C = 273.16 °K

2. UNIDADES COMPUESTAS

Radio r m metro

Ángulo , β, τ, δ, ε, ω

1 radian (m/m)

Área, Sección A.S m2 metro cuadrado

Volumen V m3 metro cúbico

Velocidad v m s-1 metro por segundo

Velocidad angular W s-1 radianes por segundo

Aceleración a m s-2metro por segundo por segundo

Inercia J m2 kg.  

Fuerza F N Newton

Peso G NAceleración de la gravedad

Trabajo W J Joule = metro Newton

Energía E.W J Joule

Energía cinética E.W J Joule

Momento de torsión

M J Joule

Potencia P W Watt

3. RELACIONADAS CON EL AIRE COMPRIMIDO

Presión P Pa Pascal

Volumen estándar V n m3 n metro cúbico estándar

Gasto volumétrico Q m3 n s-1metros cúbicos estándar Segundo

Energía, trabajo E:W N • m Joule

Potencia P W watio

Tabla 3.1 Unidades SI utilizadas en los accesorios neumáticos

Para numerar las unidades por potencia de diez, más grandes o más pequeñas que las unidades arriba indicadas, fue acordada una serie de preposiciones que se ilustran a continuación:

Potencia Preposición Símbolo Potencia Preposición Símbolo

10-1 Deci d 101 Deka da

10-2 Centi c 102 Hecto h

10-3 Mili m 103 Kilo k

10-6 Micro µ 106 Mega M

Tabla 3.2 Preposición para potencias de diez

UNIDADES NO MÉTRICAS

La tabla que viene a continuación ilustra una comparación entre el sistema métrico

(ISO) y el sistema legal de pesas y medidas.

Magnitud Métrico (m) Ingles (I)Factor (m)

a (I)Factor (I)

a (m)

Masa Kg libra 2.205 0.4535

G onza 0.03527 28.3527

Longitud M pie 3.281 0.3048

M yarda 1.094 0.914

Mm pulgada 0.003937 25.4

Temperatura °C °F 1.8 °C+32 (°F-32)/1.8

Área, Sección m2 pie cuadr. 10.76 0.0929

cm2 pulg Cuadr. 0.155 6.4516

Volumen m3 yarda cub. 1.308 0.7645

cm3 pulg. cub 0.06102 16.388

dm3 pie cúbico 0.03531 28.32

Gasto Volumétrico

m3/min. pie cub./min. 35.31 0.02832

dm3/min.(l/min.) pie cub./min. 0.03531 28.32

Fuerza Nf. en libras

(lbf)0.2245 4.4484

Presión Barlbf/lib pulg cuad. (psi)

14.5 0.06895

Tabla 3.3 Unidades no métricas

PRESIÓN

Es necesario notar que la unidad ISO de presión es el Pascal (Pa)

1 Pa = 1 N/m2 (Newton por metro cuadrado).

Esta unidad es extremadamente pequeña, así que para evitar trabajar con números grandes, existe un acuerdo para utilizar el bar como unidad de 100,000Pa, puesto que esta medida es más práctica para utilización industrial.

100,000 Pa = 100 k Pa = 1 bar

Corresponde, con suficiente presión para fines prácticos, a kgf/cm2 y kp/cm2 del sistema métrico.

Figura 3.4 Diferentes sistemas de indicación de presión

En el contexto de los accesorios neumáticos, una presión se considera como presión relativa, es decir por encima de la presión atmosférica, y denomina comúnmente presión manométrica (GA).

La presión se puede expresar también como presión absoluta (ABS), es decir una presión relativa a un vacío total. En la tecnología del vacío se utiliza una presión por debajo de la atmosférica, es decir bajo presión.

Las diferentes maneras de indicar la presión se ilustran en la figura 3.4 utilizando como referencia una presión atmosférica estándar de 1013 mbar, hay que notar que este no es 1 bar, aunque para cálculos neumáticos normales se puede ignorar la diferencia.

 

TEORÍA DEL AIRE COMPRIMIDO - II  

PROPIEDADES DE LOS GASES

LA LEY DE BOYLE“A temperatura constante, la presión de una masa dada de gas es inversamente proporcional a su volumen”

Figura 3.5 Ilustración de la ley de Boyle

Si el volumen V1 = 1 m3 a una presión absoluta de 100 kPa (1 bar ABS) se comprime a temperatura constante a un volumen V2 = 0.5 m3, entonces:

es decir,

Nuevamente, si el volumen V1 a 100 kPa se comprime a V3 = 0.2 m3, entonces la presión resultante :

LEY DE CHARLES“A presión constante, una masa de gas dada aumenta en volumen a razón de 1/273 de su volumen por cada grado Celsius de aumento de temperatura”.

LEY DE GAY LUSSAC“A presión constante, el volumen de un gas aumenta en proporción a la temperatura“, por lo tanto,

TRANSFORMACIÓN ISOCÓRICA“Con un volumen constante, la presión es proporcional a la temperatura”, por lo tanto,

(En las expresiones superiores se debe utilizar la escala de temperatura Kelvin, es decir °C+ 273 = °K)

Las relaciones anteriores se combinan para proporcionar la “ecuación general de los gases perfectos“.

Esta ley proporciona una de las bases teóricas principales para el cálculo a la hora de diseñar o elegir un equipo neumático, cuando sea necesario tener en cuenta los cambios de temperatura.

TRANSFORMACIÓN ADIABÁTICALas leyes anteriores se referían siempre a cambios lentos, con solamente dos variables cambiando al mismo tiempo. En la práctica, por ejemplo, cuando el aire entra en un cilindro, no tiene lugar un camino de estas características, sino un cambio adiabático. La ley de Boyle de p V = cte. cambia a p V k = cte.

El diagrama ilustra la diferencia con suficiente claridad. Vemos que tenemos una pérdida de volumen cuando la presión aumenta rápidamente. Nos encontramos nuevamente esta ley, cuando hablemos acerca del consumo de los cilindros.

VOLUMEN ESTÁNDARDebido a las interrelaciones entre volumen, presión y temperatura, es necesario referir todos los datos de volumen de aire a una unidad estándarizada, el metro cubico estándar, que es la cantidad de 1.293 Kg. de masa de aire a una temperatura de 0 °C y una presión absoluta de 760 mm. Hg. (101325 Pa).

GASTO VOLUMÉTRICO (Caudal)La unidad básica para el gasto volumétrico “Q” es el Metro Cúbico Normal por segundo (m3n/s). En la neumática práctica, los volúmenes se expresan en términos de litros por minuto (l/min) o decímetros cúbicos normales por minuto (dm3/min). La unidad no métrica habitual para el gasto volumétrico es el “pie cúbico estándar por minuto“ (scfm).

ECUACION DE BERNOULLI

Bernoulli dice:“Si un líquido de peso específico P fluye horizontalmente por un tubo de diámetro variable, la energía total en los puntos 1 y 2 es la misma”.

O bien:

Esta ecuación se aplica también a los gases si la velocidad del flujo no supera los 330 m/s aproximadamente.Aplicaciones de esta ecuación son el tubo de Venturi y la compensación del flujo en los reguladores de presión.

TEORÍA DEL AIRE COMPRIMIDO - III  

HUMEDAD DEL AIRE

El aire de la atmósfera contiene siempre un porcentaje de vapor de agua. La cantidad de humedad presente depende de la humedad atmosférica y de la temperatura.

Cuando el aire atmosférico se enfría, alcanza cierto punto en que se satura con la humedad. Esto se conoce como punto de condensación o punto de rocío. Si el aire se enfría más, no retiene toda la humedad y el sobrante se decanta como gotas en miniatura que forman un líquido condensado.

La cantidad real de agua que puede ser retenida depende por completo de la temperatura, 1 de aire comprimido es capaz de retener sólo la misma cantidad de vapor de agua como 1 de aire a presión atmosférica.

La tabla 3.6 abajo ilustra el número de gramos de agua por metro

cúbico para una amplia gama de temperatura, desde -40 °C hasta +40 °C. La línea en negrita se refiere al aire atmosférico con el volumen a la temperatura en cuestión. La línea fina indica la cantidad de agua por metro cúbico estándar. Todo consumo de aire se expresa normalmente en volumen estándar, lo que hace innecesario el cálculo.

Para la gama de temperatura de las aplicaciones neumáticas, la tabla de abajo proporciona los valores exactos. La primera mitad se refiere a las temperaturas sobre cero, mientras que la parte inferior indica las temperaturas bajo cero.

Las filas superiores muestran el contenido de un metro cúbico estándar y las inferiores el contenido en un volumen de un a la temperatura dada.

Temperatura °C

0 5 10 15 20 25 30 35 40

g/ n °(Estándar)

4.98 6.99 9.86 13.76 18.99 25.94 35.12 47.19 63.03

g/ (Atmosférico)

4.98 6.86 9.51 13.04 17.69 23.76 31.64 41.83 54.108

 

Temperatura °C

0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40

g/ n °(Estándar)

4.98 3.36 2.28 1.52 1.00 0.64 0.40 .025 0.15

g/ (Atmosférico)

4.98 3.42 2.37 1.61 1.08 0.70 0.45 0.29 0.18

Tabla 3.6 Saturación del aire por agua (Punto de condensación)

Humedad relativa

A excepción de condiciones atmosféricas extremas, como una repentina caída de la temperatura, el aire atmosférico no se satura nunca. El coeficiente entre el contenido real de agua y el del punto de condensación se llama humedad relativa y se indica como porcentaje.

Ejemplo 1:

Temperatura 25 °C. h. r. 65% ¿Qué cantidad de agua hay en 1 ?

Punto de condensación 25 °C = 24 g/ x 0.65 = 15.6 g/ .

Cuando el aire se comprime, su capacidad para contener humedad en forma de vapor es sólo la de su “volumen reducido“. Por lo tanto, a menos que la temperatura suba substancialmente, el agua será expulsada mediante condensación.

Ejemplo 2:

10 de aire atmosférico a 15° y 65% de humedad relativa se comprime a 6 bares de presión manométrica. Se modifica la temperatura hasta alcanzar los 25° ¿Cuanta agua se condensará?

De la tabla 3.6 : A 15 °C, 10 de aire pueden contener un máx. de 13.04 g/ x 10 = 130.4 g; al 65 % de h. r. el aire contendrá 130.4 x 0.65 = 84.9 g (a).

De la tabla 3.6: 1.44 a 25 °C puede retener un máximo de 23.76 g x 1.44 = 34.2 g (b).

La condensación es igual a la cantidad de total de agua en el aire, menos el volumen que el aire comprimido puede absorber; así de (a) y (b), al comprimir el aire 84.9 - 34.2 = 50.6 g de agua condensada.

Esta agua de condensación debe de eliminarse antes de que se distribuya el aire comprimido, para evitar efectos nocivos sobre los componentes del sistema neumático.

Figura 3.7 Puntos de condensación desde -30 °C hasta aproximadamente +80 °C. La curva en negrita indica los puntos de

saturación de un metro cúbico a la temperatura relacionada y la línea fina al volumen estándar

RESIÓN Y CAUDAL

La relación más importante para los componentes neumáticos es la que existe entre presión y caudal.

Si no existe circulación de aire, la presión en todos los puntos del sistema será la misma, pero si existe circulación desde un punto hasta otro, ésta querrá decir que la presión en el primer punto es mayor que en el segundo punto, es decir, existe una diferencia de presión. Esta diferencia depende de tres factores:

La presión inicial. El caudal de aire que circula. La resistencia al flujo existente entre ambas zonas.

La resistencia a la circulación de aire es un concepto que no tiene

unidades propias (como el ohmio en electricidad) sino que en neumática se usa el concepto opuesto, es decir, conceptos que reflejan la facilidad o la aptitud de un elemento para que el aire circule a través de él, el área de orificio equivalente “S“ o el “Cv“ o el “Kv“.

La sección de orifico equivalente “S” es expresada en mm y representa el área de un orificio sobre pared delgada que crea la misma relación entre presión y caudal que el elemento definido por él.

Estas relaciones son en cierta manera, similares a la electricidad, donde “Diferencia de Potencial = Resistencia x Intensidad“. Esto trasladado de alguna forma a la neumática, sería “Caída de presión = Caudal x Área efectiva“, solo que, mientras que las unidades eléctricas son directamente proporcionales, esta relación para el aire es bastante más compleja y nunca será simplemente proporcional.

En electricidad una corriente de un amperio (1A), crea sobre una resistencia de un Ohmio una tensión de un voltio (1 V). Esto se cumple bien sea desde 100V a 99V o desde 4V a 3V. En cambio, una caída de presión a través del mismo objeto y con el mismo caudal, puede variar con la presión inicial y también con la temperatura. Razón, la compresibilidad del aire.

Para definir uno de los cuatro datos interrelacionados que han sido mencionados, a partir de los otros tres, nosotros necesitamos el diagrama que se muestra a continuación:

Fig. 3.8 Diagrama en el que se muestra las relaciones entre presión y flujo para un

orificio con una sección equivalente a 1

El triángulo de la esquina inferior derecha marca el rango del “flujo a

velocidad sónica“, cuando el caudal de aire alcanza una velocidad cercana a la del sonido. En este caso, el caudal ya no se puede incrementar independiente de la diferencia de presión que pueda existir entre la entrada y la salida. Como puede verse, las curvas en esta zona, caen verticalmente.

Esto supone que el caudal no depende de la diferencia de presión sino de la presión de entrada.

Uso del diagrama

La escala de presión en la izquierda indica la presión de entrada como la salida. La primera línea vertical de la izquierda representa el caudal cero y evidentemente, la presión en la entrada y la salida; las diferentes curvas para las presiones de entrada desde 1 hasta 10 bar, indican como varía la presión de salida con el incremento del caudal.

Ejemplo 1.

- Presión de entrada de 6 bar.

Caída de presión de 1 bar Presión de salida 5 bar.

Seguimos la línea que parte de 6 hasta que corta la horizontal del nivel de 5 bar. Desde este punto, nosotros seguimos la línea a trazos que baja verticalmente hasta la escala de caudales, en la que obtenemos un valor de 55 l/min. Esta situación concreta define lo que se ha llamado el “volumen de flujo estándar (Qn)“, un valor encontrado en los catálogos para una rápida comparación de la capacidad de caudal de otras válvulas.

El caudal obtenido en este diagrama es para un elemento (válvula, conexión, tubería, etc.) con una sección equivalente “S” de 1 . Si el elemento en cuestión tiene, según catálogo, una “S“ de 4.5 , el caudal real será 4.5 veces mayor. En este caso 4.5 x 54.44 = 245 l/min.

Ejemplo 2.

Dado un elemento con una sección equivalente “S“ de 12 , con una presión de alimentación de 7 bar y un consumo de aire de 600 l/min. ¿Qué presión obtendremos a la salida?

Un caudal de 600 l/min. con una sección equivalente de 12 , corresponde a un caudal de 50 l/min. por cada de sección equivalente (necesitamos esta conversión para utilizar el diagrama de la figura 3.8). Seguimos ahora la curva que comienza en 7 bar hasta que corta la línea vertical de 50 l/min. de Qn. A partir de este punto,

seguimos la línea horizontal hasta la escala de presiones y obtenemos un valor de 6.3 bar.

Formulario:

Cuando se requiera un cálculo mas exacto que el que pueda ser obtenido en este diagrama, el caudal puede ser calculado con alguna de las dos fórmulas siguientes:

Un vistazo al diagrama de la Fig. 3.8. nos lo pueden aclarar y lógicamente, deben existir dos fórmulas diferentes para los rangos de “flujo sónico“ y para los rangos de “flujo subsónico“. La frontera entre el flujo sónico y el subsónico viene establecida por las siguientes fórmulas:

El caudal Q vendría dado por las siguientes fórmulas:

Flujo subsónico:

Flujo sónico:

Siendo presiones relativas o manométricas.

Vea como un sistema neumático nunca funcionará de forma satisfactoria en condiciones de flujo sónico ya que, por ejemplo, de una presión de alimentación de 6 bar no quedarían nada más que 2.7 bar para trabajar.

Ejemplo:

Calculamos el flujo del ejemplo 2 asumiendo una presión de trabajo de 7 bar y una presión de salida de 6.3, con una sección equivalente “S“ de 12 para el sistema de válvula y tuberías:

Este dato nos muestra que la precisión del diagrama es suficiente para uso práctico en neumática.

COMPRESION Y DISTRIBUCION DEL AIRE

 

COMRESORES Compresor alternativo Compresor rotativo Capacidad normal del compresor

ACCESORIOS DEL COMPRESOR

Depósito Filtro de entrada

DESHIDRATACIÓN DEL AIRE

Post-enfriadores Secadores

DISTRIBUCIÓN DEL AIRE

Final en línea abierta y conducto principal en anillo Líneas secundarias Selección del tamaño de los conductos principales de aire Materiales para la tubería

COMPRESIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE

COMPRESORES

Un compresor convierte la energía mecánica de un motor eléctrico o de combustión en energía potencial de aire comprimido.

Los compresores de aire se dividen en dos categorías principales: alternativos y rotativos.

Los tipos principales de compresores incluidos en estas categorías se indican en la figura 4.1

Figura 4.1 Tipos principales de compresores utilizados en los sistemas neumáticos

COMPRESORES ALTERNATIVOS

Compresor de émbolo de una etapa

El aire recogido a presión atmosférica se comprime a la presión deseada con una sola compresión.

El movimiento hacia abajo del émbolo aumenta el volumen para crear una presión más baja que la de la atmósfera, lo que hace entrar el aire en el cilindro por la válvula de entrada.

Al final de la carrera, el émbolo se mueve hacia arriba, la válvula de entrada se cierra cuando el aire se comprime, obligando a la válvula de salida a abrirse para descargar el aire en el depósito de recogida.

Este tipo de compresor se utiliza generalmente en sistemas que requieran aire en la gama de 3-7 bares.

Figura 4.2 Compresor de émbolo de una sola etapa

Compresor de émbolo de dos etapas

En un compresor de una sola compresión, cuando se comprime el aire por encima de 6 bares, el calor excesivo que se crea reduce en gran medida su eficacia. Debido a esto, los compresores de émbolo utilizados en los sistemas industriales de aire comprimido son generalmente de dos etapas.

Figura 4.3 Compresor de émbolo de dos etapas

El aire recogido a presión atmosférica se comprime en dos etapas hasta la presión final.

Si la presión final es de 7 bares, la primera compresión normalmente comprime el aire hasta aproximadamente 3 bares, tras lo cual se enfría. Se alimenta entonces el cilindro de la segunda compresión que comprime el aire hasta 7 bares.

El aire comprimido entra en el cilindro de segunda compresión a una temperatura muy reducida, tras pasar por el refrigerador intermedio, mejorando el rendimiento en comparación con una unidad de una sola compresión. La temperatura final puede estar alrededor de 120 oC.

COMPRESION Y DISTRIBUCION DEL AIRE II  

Compresor de diafragma.

Los compresores de diafragma suministran aire comprimido seco hasta 5 bares y totalmente libre de aceite, por lo tanto se utilizan ampliamente en la industria alimenticia, farmacéutica y similares.

El diafragma proporciona un cambio en el volumen de la cámara, lo que permite la entrada del aire en la carrera hacia abajo y la compresión en la carrera hacia arriba.

Figura 4.4 Compresor de diafragma

COMPRESORES ROTATIVOS

Compresor rotativo de paleta deslizante

Este compresor tiene un rotor montado excéntricamente con una serie de paletas que se deslizan dentro de ranuras radiales.

Al girar el rotor, la fuerza centrifuga mantiene las paletas en contacto con la pared del estator y el espacio entre las paletas adyacentes disminuye desde la entrada de aire hasta la salida, comprimiendo así el aire.

Figura 4.5 Compresor de paleta

La lubricación y la estanqueidad se obtienen inyectando aceite en la corriente de aire cerca de la entrada. El aceite actúa también como refrigerante para eliminar parte del calor generado por la compresión, para limitar la temperatura alrededor de 190 ºC.

Compresor de tornillo

Dos motores helicoidales engranan girando en sentidos contrarios. El espacio libre entre ellos disminuye axialmente en volumen, lo que comprime el aire atrapado entre los rotores (figura 4.6).

El aire lubrica y cierra herméticamente los dos tornillos rotativos. Los separadores de aceite eliminan el mismo del aire de salida.

Con estas máquinas se pueden obtener caudales unitarios continuos y elevados, de más de 400 m3/min a presiones superiores a 10 bares.

Este tipo de compresor, más que el compresor de paletas, ofrece un suministro continuo libre de altibajos.

Figura 4.6 Principio del compresor de Tornillo

El tipo industrial de compresor de aire más común sigue siendo la máquina alternativa, aunque los tipos de tornillo y paletas se están usando cada vez mas.

CAPACIDAD NORMAL DEL COMPRESOR

La capacidad o salida de un compresor se indica como gasto volumétrico estándar, en m3n/s o m3n/min, dm3n/s o litros/min. La capacidad puede describirse también como volumen desplazado o “volumen teórico de entrada“, un concepto teórico. Para un compresor de émbolo, se basa en:

Q (l/min) = área del émbolo en dm2 x longitud de carrera en dm x número de cilindro de primera etapa x rpm.

En el caso de un compresor de dos etapas, se considera sólo el

cilindro de primera etapa.

El suministro efectivo es siempre inferior debido a las pérdidas volumétricas y térmicas.

La pérdida volumétrica es inevitable, puesto que no es posible descargar la totalidad del aire comprimido del cilindro al final de la carrera de compresión: queda algo de espacio, el llamado “volumen muerto“.

La pérdida térmica se produce debido al hecho de que durante la compresión el aire adquiere una temperatura muy elevada, por lo tanto su volumen aumenta y disminuye cuando se enfría a temperatura ambiente (ver la ley de Charles en el apartado 3).

Rendimiento volumétrico

expresado como porcentaje, se conoce como rendimiento volumétrico y varía según el tamaño, tipo y fabricación de la máquina, número de etapas y presión final. El rendimiento volumétrico de un compresor de dos etapas es inferior a la del compresor de una sola etapa, puesto que tanto los cilindros de la primera como los de la segunda etapa, tienen volúmenes muertos.

Rendimientos térmico y global

Aparte de las pérdidas descritas anteriormente, existen también efectos térmicos que bajan el rendimiento de la compresión del aire. Estas pérdidas reducen aún más el rendimiento global dependiente del coeficiente de compresión y de la carga. Un compresor, que trabaja a capacidad casi total, acumula una gran cantidad de calor y pierde rendimiento. En un compresor de dos etapas, el coeficiente de compresión por etapa es inferior y el aire, comprimido parcialmente en el cilindro de primera etapa, se enfría en un refrigerador intermedio antes de ser comprimido a la presión final en el cilindro de segunda etapa.

Ejemplo: Si se comprime el aire atmosférico absorbido por un cilindro de la primera etapa a un tercio de su volumen, la presión absoluta a la salida es de 3 bares. El calor desarrollado por esta compresión relativamente baja es consiguientemente bajo. El aire comprimido pasa al cilindro de segunda etapa, a través del refrigerador intermedio, y nuevamente su volumen se reduce a un tercio. La

presión final es entonces de 9 bares abs.

El calor desarrollado al comprimir el mismo volumen de aire en una sola compresión, directamente de la presión atmosférica a 9 bares abs, sería mucho más elevado y se reduciría considerablemente el rendimiento global.

El diagrama de la figura 4.7 compara los rendimientos globales típicos de compresores de una y dos etapas, para varias presiones finales.

Para presiones finales bajas, es mejor un compresor de una etapa, puesto que su rendimiento volumétrico es más elevado. Sin embargo, con una presión final en aumento, las pérdidas térmicas son cada vez más importantes y son preferibles los compresores de dos etapas, con un rendimiento térmico más elevado.

Figura 4.7 Diagrama del rendimiento global

El consumo específico de energía es una medida del rendimiento global y se puede utilizar para estimar el costo de producción del aire comprimido. Como promedio, se puede estimar que se necesita un kW de energía eléctrica para producir 120-150 l/min. ( = 0.12 ... 0.15 m3n/min/kW ) para una presión de trabajo de 7 bares.

Las cifras exactas deben de establecerse según el tipo y el tamaño del compresor.