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Neumática

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Objetivos

Propiedades del aire

. Capacitar al alumno para comprender el comportamiento del aire en los sistemas neumáticos.

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El aire atmosférico es un gas que se compone fundamentalmente de nitrógeno, oxígeno, anhídrido carbónico y vapor de agua. La presión atmosférica normalizada, 1 atmósfera, fue definida como la presión atmosférica media al nivel del mar que se adoptó como exactamente 101 325 Pa (1,01325 bar) o 760Torr. Sin embargo, a partir de 1982, la IUPAC recomendó que si se trata de especificar las propiedades físicas de las sustancias "el estándar de presión" debía definirse como exactamente 100 kPa o (≈750,062 Torr). Aparte de ser un número redondo, este cambio tiene una ventaja práctica porque 100 kPa equivalen a una altitud aproximada de 112 metros, que está cercana al promedio de 194 m de la población mundial. La neumática es una técnica que utiliza el aire comprimido como medio para transmitir la energía en algunos procesos de automatización.

Se entiende por aire comprimido, el aire sometido a una presión superior a la atmosférica.

Leyes de los gases perfectos A temperatura constante

Esta ley (Boyle-Mariotte) rige en las transformaciones realizadas de forma muy lenta, en las que la temperatura permanece constante y nos dice: El producto de la presión absoluta a la que se encuentra sometido el gas por el volumen que ocupa, es una constante que depende de la temperatura a la que se realiza la transformación. P1*V1 = P2*V2 = K

A presión constante

Expresa que el volumen de un gas, a presión constante (Ley de Gay-Lussacc) , está en relación directa con la temperatura absoluta del gas.

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A volumen constante

Nos dice que la presión absoluta de una gas varía proporcionalmente con la temperatura absoluta (Ley de Amonton).

Expresión de la ecuación general de los gases perfectos

Humedad del aire

Se define la humedad absoluta como la cantidad de agua en forma de vapor que contiene 1 m3 de aire. En 1 m3 de aire, que contiene una cierta cantidad de agua, se define el punto de rocío atmosférico como la temperatura a la que el vapor de agua comienza a condensarse a la presión atmosférica, debido a que el aire se encuentra saturado de vapor de agua. Se entiende por humedad relativa al cociente entre el vapor de agua que contiene el aite a una temperatura determinada y el que contendría a esa temoetaura si se encontrase en estado saturado.

La cantidad de agua por m3 de aire, a una humedad relativa determinada, sólo depende de la temperatura y no depende de la presión a la que se encuentra, es decir, un m3 de aire saturado a la presión atmosférica tiene la misma cantidad de vapor de agua que 1 m3 de aire saturado a 7 bar, siempre que ambos se encuentres a la misma temperatura.

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El gráfico muestra el contenido de agua por m3 de aire a diferentes temperaturas y humedades relativas. En é se puede observar, que para cierta humedad relativa, el contenido de vapor de agua aproximadamente se duplica cada 11ºC de aumento de temperatura Según el gráfico, un m3 de aire saturado a 20ºC contiene 18 g de agua en forma de vapor. Si a dicho aire lo enfriamos a 0ºC, permaneciendo constante el volumen, sólo puede contener en estado de vapor 4,75 g de agua, por lo que existirá una condensación de vapor de agua de 13,25 g. Ahora bien, si al aire saturado a 20ºC, lo comprimimos, a temperatura constante, a 3 bar absolutos (2 bar manométricos), el volumen se reducirá a 1/3 m3 correspondiéndole por tanto 6 g de agua en forma de vapor, ya que la cantidad de agua por unidad de volumen es independiente de la presión, por lo que habrá una condensación de 12 g de agua.

Sin embargo, la comprensión del aire de forma rápida hace aumentar la temperatura, lo que permite un mayor contenido de agua por m3 . En el caso del aire saturado a 201C, comprimido a 3 bar, exige que el contenido de agua por m3sea de 18*3 = 54 g para que no haya condensación, que si nos vamos al gráfico, vemos que exige una temperatura mínima de unos 40ºC para que no se produzca la saturación. Esto resulta interesante para comprobar si se produce condensación en el compresor, lo cual nunca ocuirre, ya que en la compresión mediante una etapa se alcanzan temperaturas del orden de 180ºC y en la compresión en 2 etapas temperaturas del orden de 130ºC.

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Para el secado del aire se dispone en ocasiones de una unidad de refrigeración. De esta manera se consigue eleiminar parate del vapor de agua existente en el aire y evitar que condense más adelante en las zonas mas frias de la red de distribución.

Actividad 1.- En la cámara del cilindro de un compresor se tienen 10 l de aire a presión manométrica nula. ¿Qué presión manométrica se crearía si lentamente se redujese el volumen del aire a 1 l ? 2.- En un depósito acumulador de 100 l de capacidad el manómetro marca 6 bar cuando la temperatura es de 20ºC.¿Qué presión marcará el manómetro si la temperatura asciende a 35ºC?

3.- Un cilindro vertical se encuentra en las condiciones de la figura. ¿Qué altura ascendería si se eleva la temperatura a 35ºC sabiendo que la sección es de 10 cm2?

4.- Un cilindro de sujección ejerce una fuerza de 70 Kg cuando el aire se encuentra a 20ºC. ¿Qué fuerza ejercería si desciende la temperatura 10ºC sabiendo que la sección es de 10 cm2 ? 5.- Una masa de aire ocupa un volumen de 10 m3 a la presión manométrica de 2 bar y temperatura de 20ºC. ¿Qué volumen ocupará a la presión manométrica de 4 bar y a la temperatura de 35ºC?

6.- El émbolo de un compresor aspira 4 l de aire atmosférico a 20ºC. Cuando el volumen se ha reducido a 1 l se abre la válvula de impulsión que la lleva a un depósito acumulador. ¿A qué presión relativa es impulsado dicho aire?. ¿A que

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http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_zjazk9/psau... temperatura saldrá el aire, si se supone que no existe intercambio de calor con el exterior?. ¿Qué presión habrá en el acumulador si se refrigera el aire después de la compresión a 35ºC y se supone que su capacidad es de 1 l ? 7.- Un compresor aspira 6 m3 de aire atmosférico por minuto, a una temperatura de 20ºC y con una humedad relativa del 80%. Sabiendo que el aire en la instalación, se encuentra a una presión manométrica de 6 bar y a 32ºC, calcular la cantidad de agua condensada al cabo de 8 horas de trabajo. 8.- En un compresor que aspira aire atmosférico saturado a la temperatura de 0ºC, se dispone a la salida de un manómetro que marca 5 bar y de un termómetro que marca 60ºC. Se desea saber si en estas condiciones existe condensación de vapor de agua en el propio compresor.

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Objetivos

Compresores

. Reconocer el puesto que el compresor ocupa en los sistemas neumáticos y criterios de selección entre los diferentes tipos. . Estudiar los distintos tipos de compresores utilizados en las instalaciones neumáticas.

Los compresores son máquinas que tienen la misión de transformar la energía mecánica, del eje del motor, en energía neumática de presión. Ello se puede conseguir de dos formas diferentes:

· Disminuyendo el volumen de aire de un recinto cerrado. · Comunicando al aire una elevada energía cinética, que se transforma en energía de presión al ser frenado.

Precisamente, atendiendo a estas dos formas de conseguir el aire comprimido, se puede hacer la siguiente clasificación de los compresores: Por reducción del volumen: · De pistones. · De paletas. · De tornillo. Cenfrífugos: · Axiales. · Radiales.

Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura. Muchos de los compresores tienen un principio de funcionamiento similar a las bombas hidráulicas vistas anteriormente. Por esta razón, simplemente se van a citar, se darán características generales en aplicación a la tecnología neumática, pero se omitirán los gráficos y la explicación de su funcionamiento.

Consideraciones generales en la elección de un compresor:

Todo compresor se caracteriza por los siguientes valores: Caudal de aire que en condiciones normales es capaz de suministrar y la presión máxima que es capaz de soportar para que tenga una vida económica. Al comprimir un gas, éste se calienta, por lo que la presión final conseguida es superior a la correspondiente a la reducción de volumen realizada sobre el gas. Esta sobrepresión, debida al aumento de temperatura del gas, exige un trabajo complementario durante la compresión, trabajo que se pierde por la refrigeración del gas en la instalación, disminuyendo el rendimiento de la misma. Ello hace pensar que el compresor ideal sería aquél en el que durante la compresión no se calentase el gas, lo que exige una elevada refrigeración, que aparte de resultar poco rentable, daría lugar a la condensación del vapor de agua presente en el aire, reduciendo el volumen de aspiración y por tanto el rendimiento de la instalación. Por los motivos anteriores se hace una refrigeración del cilindro, de modo que la temperatura final del aire sea superior a la del punto de rocío para la presión suministrada por el compresor. En base a las características de consumo y presión de la instalación, se realiza la selección del compresor de la siguiente forma:

El caudal que debe suministrar el compresor es igual, al consumo de los sistemas neumáticos a él conectados, más el consumo estimado en función de las previsiones de futuro, más un suplemento del orden del 20% para compensar pérdidas por fugas.

La presión de trabajo del compresor debe ser del orden de 1 a 1,5 bar superior a la necesaria para el funcionamiento de los circuitos neumáticos, pues de este modo se evita el funcionamiento continuo del motor y se garantiza el funcionamiento correcto de los circuitos, a pesar de las fluctuaciones de presión en la red. Pero tampoco debe ser superior al valor señalado porque la presión cuesta dinero. Cuando se precisan grandes caudales es mejor utilizar varios compresores que uno solo, ya que de este modo, aunque se produzca el fallo de alguno de ellos, se dispone de aire para realizar las necesidades prioritarias.

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http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_zjazk9/psau... El compresor se debe instalar siempre a la sombra, para que el aire esté lo más fresco posible y por tanto con la mínima humedad.

Compresores de pistones

Son los más utilizados en la actualidad y todos ellos presentan la característica común de suministrar el aire comprimido a emboladas.

Los compresores de pistones pueden ser de una o varias etapas. Los primeros se utilizan para presiones de 6 a 10 bar. Los de dos etapas se utilizan para presiones de 6 a 15 bar, y con los de tres etapas se pueden conseguir presiones de hasta 250 bar. En los compresores de varias etapas o cilndros, por la forma de disponer los pistones, se puede realizar la siguiente clasificación:

· El línea, cuando los pistones están montados en un cigüeñal con varias manivelas, de modo que cada muñequilla mueve un pistón. · En ángulo, cuando una manivela mueve dos pistones. · En estrella, cuando una manivela mueve tres o más pistones.

En las industrias en que es primordial la limpieza, como las alimenticias, farmacéutica, textil, cosmética, etc. Se utiliza el compresor de membrana, que tiene la particularidad de que el aire no entra en contacto con el pistón, por lo que no absorberá aceite ni cascarillas.

Compresores de paletas

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http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_zjazk9/psau... Muy parecidos a las bombas hidráulicas de paletas. Están formados por un rotor que gira de forma excéntrica en el interior de un cilindro. El rotor dispone de unas ranuras, en cuyo interior deslizan unas paletas, que por efecto de la fuerza centrífuga aseguran la estanqueidad entre el rotor y el cilindro. Las paletas dividen el juego existente entre el rotor y el cilindro en cámaras de capacidad creciente con el giro en la zona de aspiración. Posteriormente dichas cámaras decrecen de volumen, dando lugar a la compresión del aire, hasta alcanzar la tubería de impulsión. Estos compresores no pueden suministrar presiones tan altas como los de pistones (los de simple etapa pueden alcanzar 4 bar, y los de doble etapa hasta 8 bar) y son los que ofrecen los caudales menores, sin embargo presentan la ventaja de poderse acoplar directamente en el eje del motor, sin reducción intermedia, son de dimensiones reducidas, de funcionamiento más silencioso y dan un caudal prácticamente uniforme.

Compresor de tornillo

Están formados por dos o tres tornillos helicoidales que ajustan entre sí. Uno de los tornillos está unido al eje motor y el otro u otros, giran por el engrane con el tornillo conductor. Estos compresores son muy fiables, baratos, eficientes, silenciosos y fáciles de mantener. Con ellos se pueden conseguir presiones de hasta 20 bar.

Compresores centrífugos

Son los que suministran el máximo caudal y las mínimas presiones. Para llegar a alcanzar presiones de 6 a 8 bar, necesitan de 6 a 8 etapas. Estos compresores comunican al aire una elevada energía cinética, que se transforma en energía de presión al ser frenado el aire en la instalación. Dependiendo de la dirección en que es lanzado el aire se clasifican en axiales y radiales, consiguiendo con los primeros mayores caudales y con los segundos mayores presiones. Además, presentan la ventaja de acoplar directamente el eje del motor.

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Almacenamiento y distribución de aire

Objetivos

. Reconocer el puesto y los motivos de su existencia que el acumulador tiene en los sistemas neumáticos. . Estudiar los características de las redes de distribución de aire en las instalaciones neumáticas.

Depósito acumulador

El acumulador es un depósito que dispone de dos tomas de aire, una de entrada y otra de salida, dispuestas a la máxima distancia posible para favorecer el reposo y enfriamiento del aire. La toma de salida se hace siempre por la parte superior del depósito con el fin de no arrastrar el condensado de vapor de agua y partículas sedimentadas. En la parte inferior se coloca una válvula de purga para eliminar las condensaciones. Además dispone de una válvula limitadora de presión, tarada por el fabricante, de un manómetro y de un termómetro.

La acumulación de aire comprimido en un sistema neumático es necesaria para:

Estabilizar la emboladas de presión procedentes del compresor. Servir de depósito de reserva en aquellos instantes en los que el consumo de la instalación sea superior al caudal del compresor, o para realizar maniobras de emergencia en caso de fallo del compresor. Compensar las fluctuaciones de presión que se producen en el interior de la red con el fin de mantener la presión lo más uniforme posible. Evitar que el mecanismo de regulación del motor entre en funcionamiento con demasiada frecuencia. Debido a la gran superficie de los acumuladores se contribuye a la refrigeración del aire comprimido. También se contribuye a la limpieza del aire, ya que con la acumulación se consigue un cierto reposo que favorece la

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http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_zjazk9/psau... sedimentación de las partículas en suspensión.

Red general de distribución

Se entiende por red general de distribución, el conjunto de elementos que tienen la misión de transportar el aire comprimido, desde la estación de compresión hasta los puntos de toma para los circuitos neumáticos. En el diseño de lña red de distribución de aire comprimido hay que perseguir los siguientes objetivos: Minimizar las pérdidas de carga.

Facilitar la extracción de la condensación de agua.

Facilitar el montaje y mantenimiento de la instalación.

Las pérdidas de carga, hasta los puntos de toma de la red, deben ser inferiores al 5% del valor de la presión de trabajo y dependen fundamentalmente de la velocidad de circulación del aire. Ahora bien, la velocidad de circulación depende del consumo y del diámetro interior de la tubería, por lo que el problema se centrará en el cálculo del diámetro que haga que las pérdidas estén dentro de los límites expuestos. En instalaciones grandes, para disminuir las pérdidas de presión en los puntos de toma de red, se suele disponer de acumuladores intermedios y se realiza la distribución de modo que a cada toma llegue el aire por dos caminos diferentes, lo que se consigue diseñando una red en forma de anillo.

Para facilitar la extracción de agua y de las partículas sólidas arrastradas, se dota a la instalación de una pendiente del orden del 2 al 3% en el sentido de circulación del aire, y en los puntos bajos de la red se dispone de un depósito con purga manual o automática.

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Las bajantes para las tomas se realizan siempre por la parte superior de la tubería y con el radio de curvatura superior a 5 veces el diámetro de la tubería bajante.

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Objetivos

Tratamiento del aire

. Reconocer la necesidad de la unidad de mantenimiento existente a la entrada de los cicuitos neumáticos. . Ver las partes que componen esta unidad de mantenimiento y conocer el principio de su funcionamiento

El aire atmosférico contiene impurezas en suspensión y una cierta cantidad de agua, en forma de vapor, que depende de la temperatura y del grado de humedad. En su recorrido a través del compresor y de la red general de distribución, arrastra cascarilla, óxido, virutas, etc y parte del vapor de agua se condensa.

El agua corroe los elementos de la red y del circuito, elimina el lubricante y por tanto aumenta el rozamiento entre los elementos móviles, y en invierno puede llegar a congelarse, provocando la obturación de tuberías y elemntos de la instalación. Las impurezas obturan los orificios capilares de las válvulas y dañan las juntas de estanqueidad, lo que da lugar al desgaste y gripado de los elementos, así como al aumento de las pérdidas por fugas. Por tanto, para conseguir un buen funcionamiento y duración de los elementos de una instalación neumática, se hace necesario proceder a la limpieza y secado del aire.

La limpieza del aire comienza en la aspiración, disponiendo un filtro grueso a la entrada del compresor. A veces también se dispone en este punto de una unidad de refrigeración para el secado y enfriamiento del aire, con lo que se consigue eliminar parte de la humedad y aumentar el rendimiento del compresor.

La limpieza y refrigeración continúa en el propio compresor, cuando se realiza la compresión en varias etapas, y a la salida del compresor, donde se dispone una unidad de refrigeración, seguida del correspondiente depósito de purga y del depósito acumulador. La limpieza y refrigeración continúa a lo largo de la red realizando un diseño adecuado de la misma. Con todo ello, el aire llega a la toma del circuito sin ser apto para su utilización, por lo que en circuitos pequeños se dispone a la entrada de una unidad de mantenimiento y en circuitos de dimensiones elevadas, se dispone de una unidad de mantenimiento por cada una de sus partes. La unidad de mantenimiento se compone de un filtro, un regulador de presión y un lubricador.

Filtro de aire

Son muchos los tipos de filtros existentes en el mercado, pero todos ell9os tienen la misión de retener las partículas sólidas y el agua condensada.

La figura representa un filtro Norgren de purga manual. La separación de las impurezas sólidas y líquidas es obtenida por la acción conjunta del efecto de choque, debido a un cambio de dirección, seguido de un centrifugado y finalmente por el paso a través de un elemento filtrante de bronce sinterizado. Las impurezas depositadas en el fondo de la cuba no corren riesgo de ser agitadas a una zona de calma creada por el separador en forma de paraguas.

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http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_zjazk9/psau... El sedimento, líquido y sólido, se puede evacuar fácilmente bajo el efecto del aire comprimido y maniobrando la llave de purga. Deben evacuarse al llegar el nivel a una determinada altura, a partir de la cual los sedimentos son arrastrados por el aire.

Regulador de presión

Con el fin de alargar la vida del motor que acciona el compresor, el sistema de regulación del motor se tara a una presión máxima a la cual el motor se para, y a una presión mínima a la cual se produce el arranque del motor, lo que hace que la presión de la red fluctúe entre los valores tarados.

Con el regulador se consigue una presión prácticamente uniforme e independiente de la presión de entrada, siempre que esta sea superior a la de salida, y con ello el funcionamiento uniforme del circuito, menor consumo del mismo y un menor desgaste de sus elementos.

El regulador de presión de la figura, es un regulador con escape, cuyo funcionamiento es el siguiente: Si se actúa sobre el tornillo de regulación, el resorte presiona sobre la membrana y ésta desplaza la varilla, abriendo la válvula que permite el paso del aire del orificio de entrada al de salida. La presión de salida se trasmite a través de otro orificio debajo de la membrana hasta alcanzar equilibrio con la fuerza del resorte, momento en el cual se interrumpe la circulación.

Lubricador

La lubricación tiene por objeto disminuir el desgaste de las partes móviles del sistema, introduciendo una película de aceite entre las mismas, que evite el rozamiento esntre sus superficies.

El mejor sistema para lubricar una instalación neumática consiste en introducir el aceite en forma de niebla en el propio aire comprimido, pues éste llega a todos los puntos de la instalación.

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http://127.0.0.1:51235/temp_print_dirs/eXeTempPrintDir_zjazk9/psau... En la figura se representa un lubricador de niebla de aceite Norgren. El funcionamiento se basa en el efecto Venturi. El estrechamiento creado en el paso de aire produce un aumento de la valocidad del mismo y una disminución de la presión. Esta disminución de presión aspira aceite a través del capilar que gotea sobre un orificio. En este orificio el aceite es aspirado por la vena de aire y pulverizado en finas gotas formando una niebla.

Unidad de mantenimiento

El filtro, regulador de presión, manómetro y lubricador suelen formar un conjunto que se denomina unidad de mantenimiento.

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