NEUMÁTICA E HIDRÁULICA SESIÓN 1 PRINCIPIOS GENERALES Héctor Domínguez UPIITA-IPN 01-2011

CONTENIDO Aplicaciones en la neumatica: Informaciones generales. ●

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Desarrollo de sistemas neumaticos

Conceptos basicos Fundamentos fisicos. ●

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Propiedades del aire.

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Aire comprimido

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Compresores

de

la

neumatica:

DEFINICIÓN DE LA NEUMÁTICA La neumática es la tecnologia que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energia necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. El aire es un material elastico y por tanto, al aplicarle una fuerza, se comprime, mantiene esta compresión y devolvera la energia acumulada cuando se le permita expandirse, según la ley de los gases ideales. La palabra neumatica proviene del griego “Pneuma”, que significa respiración, viento y, filosóficamente, alma.

PRINCIPIOS FÍSICOS DEL AIRE El aire esta compuesto por una mezcla de diferentes elementos quimico Nitrógeno – 78.09% Oxigeno – 20.95% Argón – 0.93% Otros – 0.03% El aire, por ser un gas, es compresible. Permite que se pueda reducir el volumen haciendo que aumente la presión. Es facil de transportar, aunque a distancias largas se pueden presentar caidas de presión considerables y afectar las aplicaciones finales.

PRINCIPIOS FÍSICOS DEL AIRE El aire se puede considerar como un gas ideal, por lo que sus propiedades pueden calcularse con la ecuación de los gases ideales. Ecuación de los gases ideales: PV = mRT donde: P: presión absoluta V: volumen total m: masa R: constante particular del gas. R = 8.314472 J K-1 mol-1 T: temperatura absoluta

PROPIEDADES DEL AIRE ATMOSFÉRICO Expansión: Aumento de volumen de una masa de aire al verse reducida la presión ejercida por una fuerza o debido a la incorporación de calor. Contracción: Reducción de volumen del aire al verse presionado por una fuerza, pero este llega a un limite y el aire tiende a expandirse después de ese limite. Fluidez: Es el flujo de aire de un lugar de mayor a menor concentración sin gasto de energia

PROPIEDADES DEL AIRE ATMOSFÉRICO Presión atmosférica: Fuerza que ejerce el aire a todos los cuerpos. Representa el peso de una columna de aire de area de sección recta unitaria que se extiende desde ese punto hasta el limite superior de la atmósfera. Exactamente 101 325 Pa Volumen: Es el espacio que ocupa el aire. Masa Densidad: Es de 1,18 kg/m³ (a 25 °C) Viscosidad: Es de 0,018 cP (a 20 °C)

AIRE COMPRIMIDO Ventajas Económico: Se puede conseguir como fluido de trabajo simplemente tomandolo de la atmósfera, lo que no implica costos Seguro: hay pocos riesgos de accidentes, porque no posee propiedades explosivas Abundante: se encuentra en grandes cantidades en la tierra No contamina: el aire después de ser utilizado se devuelve al ambiente sin representar contaminación al medio

AIRE COMPRIMIDO Rápida respuesta: los actuadores pueden trabajar a altas velocidades No requiere líneas de retorno: a diferencia de otros medios como los hidraulicos, éste no requiere volver al generador, sino que se devuelve al ambiente sin inconvenientes Fácil montaje y mantenimiento: La instalación es sencilla, rapida y limpia Fácil transporte

AIRE COMPRIMIDO Desventajas Humedad: el aire, al salir del compresor, puede tener una alta temperatura, lo que hace que al recorrer la linea de distribución se presente enfriamiento y se produzca condensación. El contenido de humedad en los ductos puede afectar los dispositivos de trabajo (actuadores, valvulas, etc) Ruido: La operación de los elementos neumaticos ocasiona gran cantidad de ruido lo que obliga al uso de silenciadores en los escapes de las valvulas, incrementando costos. Esto no elimina el ruido, pero lo disminuye. El compresor también genera una gran cantidad de ruido y generalmente se instala en un lugal apartado.

AIRE COMPRIMIDO Limitación de fuerza: cuando se trabaja con aire comprimido no se logran fuerzas grandes, lo que obliga a usar otras alternativas cuando se requiere. La fuerza maxima promedio es de 30000N aproximadamente. Difícil detección de fugas: las fugas normalmente se detectan por el sonido que producen, pero en una industria con gran presencia de ruido esto se dificulta. Las fugas generan caidas de presión y disminución en el caudal, obligando al compresor a trabajar mas tiemp incrementando el consumo de energia y costos. Costosa producción: El compresor consume mucha energia, por lo que la generación de aire comprimido puede ser muy costosa.

PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO

PRESIÓN.

Es la fuerza ejercida sobre un area determinada y esta dada por al expresión P= F/A. En la practica, hay varios tipos de presión: Atmosférica: Presión que ejerce la atmósfera dependiendo de la altura sobre el nivel del mar. ● Absoluta: Presión real en un punto determinado ● Manométrica: Presión medida a n fluido contenido Pman = Pabs – Patm ●

Las unidades para medir presión pueden ser: Pascales (Pa = N/m2), libras por pulgada cuadrada (psi = lbf/pulg2), kilogramos por centimetro cuadrado (kgf/cm2), Bar

PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO CAUDAL Cantidad de fluido que atraviesa una sección dada, por unidad de tiempo Q = volumen / tiempo = velocidad x área Unidades empleadas en el caudal: Pies cúbicos por minuto (CFM), pies cúbicos por segundo (m3/s), galones por minuto (gal/min), litros por hora (l/h)

APLICACIONES DE LA NEUMÁTICA

Todo tipo de industria tiene una instalación de aire comprimido y las aplicaciones de la neumatica son muy variadas, desde la apertura y cierra en transporte de servicio público, hasta automatizaciones de varios procesos industriales.

APLICACIONES DE LA NEUMÁTICA ●

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Manipuladores industriales

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Maquinas de taladrado maquinas de perforación posicionamiento de piezas maquinas para etiquetado

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prensas de madera pistolas para industria, estampadoras, empaquetado de productos

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sujeción de piezas

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envasadoras,

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Manipuladores Robóticos.

GENERACIÓN DE AIRE COMPRIMIDO: COMPRESORES La generación de aire comprimido se hace usando un compresor aumentando la presión del aire atmosférico aspirado hacia la presión de trabajo. Existen compresores de diferentes caracteristicas de acuerdo a su funcionamiento, ademas de los requerimientos de caudal y presión.

CLASIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES Existen dos grupos basicos de compresores: Desplazamiento positivo: La compresión se obtiene mediante la reducción de volumen del gas dentro del dispositivo. Entre estos estan; pistones, paletas, lóbulos, tornillos Dinámicos: En estos dispositivos el aire es aspirado por un lado y comprimido mediante la aceleración de la masa o el cambio de la energia cinética (como el funcionamiento de las turbinas). Aqui se encuentran los compresores axiales y los centrifugos.

COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

En estos compresores el gas o aire se confina en un recipiente, y el volumen que ocupa se reduce mecanicamente, causando un incremento de la presión a la descarga

COMPRESOR DE PISTONES La presión del aire la realiza un pistón o varios que actúan dentro de una camisa. El dispositivo cilindro-émbolo tiene una valvula de admisión y una de escape, de manera que cuando el pistón llega al punto muerto inferior se abre la valvula de admisión e ingresa aire tomado del ambiente exterior, luego se cierra la valvula y el pistón avanza hasta el punto muerto superior reduciendo el volumen del aire, lo que hace que aumente la presión; en este momento se abre la valvula de escape y el aire sale a la red de distribución. Este tipo de compresor es usado para baja, media y alta presión, lo que lo convierte en uno de los mas utilizados en la industria. Se pueden lograr presiones maximas de 60 psig para una etapa y de 220 psig para dos etapas.

COMPRESOR DE PISTONES

COMPRESOR DE PISTONES Algunos inconvenientes de este compresor son: El aire sale a alta temperatura del compresor lo que aumenta el nivel de humedad en la linea de distribución. Si al compresor no se le da mantenimiento periódicamente, puede presentar desgaste en los anillos que van en el pistón, lo que permite el paso de aceite (sucio) a las aplicaciones. Esto es de gran preocupación en industrias limpias como alimentos, farmacéuticas o semiconductores. Produce gran cantidad de ruido.

COMPRESOR DE MEMBRANA O DIAFRAGMA Su principio es igual al del compresor de pistones, La compresión la realiza un diagrama que esta unido a un pistón. El fluido no tiene contacto con el pistón, lo que garantiza que no exista contaminación, por que no hay paso de aceite a la aplicación. Este compresor es recomendado en aplicaciones que requieren aire muy limpio y con caudales pequeños.

COMPRESOR DE MEMBRANA O DIAFRAGMA

COMPRESOR DE TORNILLO Dos tornillos helicoidales que encajan entre si van comprimiendo el aire en movimiento de rotación y translación, logrando que el volumen se disminuya y aumente la presión. Este tipo de compresor entrega presiones y caudales altos. Su gran ventaja frente al de pistones es que tiene refrigeración interna y adicionalmente no hay paso de aceite a la linea. Este tipo de compresor es relativamente silencioso. Este compresor es usado especialmente en donde se requiere de aire limpio con bajo contenido de humedad, su gran desventaja es el costo. Los caudales que entrega estan entre 3 y 8 m3/min, las presiones estan entre 100 y 200 psig, que son los rangos en los cuales se necesitan las mayores aplicaciones neumatica.

COMPRESOR DE TORNILLO

COMPRESOR DE PALETAS Este compresor tiene un rotor excéntrico con paletas oscilantes. La compresión se obtienen por reducción de volumen de las camaras de aire formadas por dos paletas adyacentes que sellan contra la carcasa. Entrega presiones maximas de 60 psig para el de una etapa y de 120 psig para el dos etapas. Este compresor es menos ruidoso que el de pistones y entrega su caudal mas uniforme.

COMPRESOR DE PALETAS

COMPRESOR DE LÓBULOS

La compresión se logra al reducir el volumen por el movimiento de rotación de un par de lóbulos en direcciones opuestas. Alcanzan presiones muy bajas, por lo que su uso es muy restringido en aplicaciones neumaticas.

COMPRESOR DE LÓBULOS

COMPRESORES DINÁMICOS

Los compresores de tipo dinamico imprimen en el aire o gran una energia de velocidad mediante la rotación a alta velocidad de los impulsores de la maquina. Parte de esta energia se convierte en presión.

COMPRESOR CENTRÍFUGO O RADIAL Similar a una turbina, el aire aumenta su presión de acuerdo con los cambios de velocidad producidos por la fuerza centrifuga y constan de un rotor centrifugo que gira dentro de una camara espiral, tomando aire en sentido axial y arrojandolo a gran velocidad en sentido radial. Entregan bajas presiones y grandes caudales. Algunos de los inconvenientes es que producen mucho ruido y suelen ser demasiado robustos, ocupando gran espacio. Su limitación en presión los hace poco atractivos.

COMPRESOR CENTRÍFUGO O RADIAL

COMPRESOR AXIAL El aire en un compresor axial fluye en la dirección de su eje a través de una serie de alabes móviles acoplados al eje por medio de un disco y una serie de alabes fijos acoplados a la carcasa del compresor y concéntricos al eje de rotación. Cada conjunto de alabes móviles y alabes fijos forman una etapa del compresor. Entregan gran caudal, pero a bajas presiones. Pocas veces es usado en neumatica industrial.

COMPRESOR AXIAL

FACTORES DE SELECCIÓN DE COMPRESORES Presión: se tiene en cuenta la palicación con mayor presión Caudal: Se suman los caudales de todas las aplicaciones y se tien en cuenta el caudal total Demanda: se deben preveer las necesidades futuras Medio ambiente: ubicación, temperatura, limpieza del aire Refrigeración: tipo de enfriamiento tratamiento: evitar alta presencia de condensados instalación Costo

CONCLUSIONES Hemos visto los principios generales del manejo del aire en un sistema neumatico Ventajas y desventajas La generación de la potencia neumatica a partir de compresores, sus tipos y aplicaciones principales

Próximo tema

Medición

Nomenclatura Principios de circuitos neumaticos

FORMACIÓN DE EQUIPOS DE TRABAJO 4 miembros

PRÓXIMO PRE-REPORTE Elaboración de un trabajo previo de investigación (pre-reporte) para realizar las practicas en el laboratorio, que abarque el manejo de equipo neumático e hidráulico y el uso de los componentes físicos relacionándolos con los símbolos, así como la medición de las variables de interés (haciendo uso de resumen u organizadores graficos, simuladores). Sin la entrega del pre-reporte no se tendra derecho a realizar la practica.