cursillo neumatica basicam

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Neumática Básica

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Contenido

Composición del aire. Presión atmosférica. Aire comprimido industrial. Presión. Unidades de presión. Presión y fuerza. Ley general de los gases. Generación de aire comprimido.

Introducción.

¿Que es Neumática ?◦ La técnica que trata del aprovechamiento de las

propiedades que tiene el aire comprimido.

Propiedades del aire comprimido :◦ Fluidez: no ofrecen ningún tipo de resistencia al

desplazamiento.◦ Compresibilidad: un gas se puede comprimir en un

recipiente cerrado aumentando la presión.◦ Elasticidad: la presión ejercida en un gas se

transmite con igual intensidad en todas las direcciones ocupando todo el volumen que lo engloba.

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Introducción

A Favor:

Abundante: Transporte Almacenable: Antideflagrante: Limpio Económico A prueba de sobrecargas

En contra

Preparación: Compresible Fuerza Escape Costos

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Propiedades Del Aire Comprimido

Composición del aire El aire que

respiramos es elástico, comprimible y fluido.

Damos por hecho que el aire llena todo el espacio que lo contiene.

El aire se compone básicamente de nitrógeno y de oxígeno.

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Composición por VolumenNitrogeno 78.09% N2

Oxígeno 20.95% O2

Argón 0.93% ArOtros 0.03%

Presión Atmosférica La presión atmosférica

es causada por el peso del aire sobre nosotros.

Esta es menor cuando subimos una montaña y mayor al descender a una mina.

La presión varía con las condiciones atmosféricas.

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Las presiones existentes en un sistema neumático se consideran sin tener en cuenta la presión atmosférica (presión relativa).

Presión absoluta = Presión atmosférica + Presión relativa

Presión atmosférica, se mide con barómetros

Presión relativa, se mide con manómetros

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Presión absoluta, presión relativa

Atmósfera Standard

Una atmósfera standard se define por la Organización Internacional de Aviación Civil. La presión y temperatura al nivel del mar es 1013.25 milli bar absoluta y 288 K (15OC).

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1013.25 m bar

Atmósfera y vacio La potencia de la

presión atmosférica es evidente en la industria de manipulación donde se utilizan ventosas y equipos de vacio.

El vacio se consigue evacuando todo el aire de un sitio determinado.

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Aire comprimido industrial

Las presiones se dan en bar (relativos a la presión atmosférica).

El cero del manómetro es la presión atmosférica.

Para cálculos se utiliza la presión absoluta:Pa = Pg + Patmósfera.

Se asume para cálculos rápidos que 1 atmósfera equivale a 1.000 mbar.

En realidad 1 atmósfera equivale a 1.013 mbar.

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Rangobajo

Rangoindustrialtípico

01234

5

67

8

910

111213

1415

1617

01234

5

67

8

910

111213

1415

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Pre

sión

abs

olut

abar

Pre

sión

man

omét

rica

bar

Vacio total

Atmósfera

RangoIndustrialampliado

Presión• Presión=Fuerza/Superficie• La unidad de presión en el S.I. es el N/ m2 = Pa(pascal)

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1 bar = 14.50 psi 1 mm H2O = 0,0979 mbar aprox.

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Unidades de presión

Presión y fuerza El aire comprimido ejerce

una fuerza de igual valor en todas las direcciones de la superficie del recipiente que lo contiene.

El líquido en un recipiente será presurizado y transmitido con igual fuerza.

Por cada bar de manómetro, se ejercen 10 Newtons uniformemente sobre cada centímetro cuadrado.

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Presión y fuerza La fuerza que se

desarrolla sobre un pistón debida a la presión del aire comprimido es el área efectiva multiplicada por la presión:

F= P*S=P*ΠD2/4

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D mm

P bar

Presión y fuerza Si ambas conexiones de

un cilindro de doble efecto se conectan a la misma presión el cilindro se moverá debido el diferencial de presión que hay en ambas cámaras.

Si el cilindro es de doble vástago el cilindro no se moverá.

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Presión y fuerza En la corredera de una válvula la presión actuando en

cualquier conexión no hará que la corredera se desplace puesto que las dos areas sobre las que actua el aire son iguales.

P1 y P2 son las presiones de alimentación y escape.

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P1 P2

Las leyes de los gases

Las leyes de los gases Para cualquier masa de aire dada las propiedades

variables son presión, volumen y temperatura. Asumiendo que una de estas variables se mantiene

constante se darán los siguientes casos:

Ley de Boyle-Mariotte: Temperatura Constante

Ley de Gay-Lusac: Presión Constante

Ley de Charles: Volumen Constante

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P.V = C (una constante)

= C (una constante)V

T

= C (una constante)P

T

La Ley general de los Gases

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= = CP1 .V1

T1

P2 .V2

T2

Nota : por lo general trabajaremos a temperatura constante.

Generación del aire comprimido

Elementos generadores de energía.

Red de distribución.

Elementos de tratamientos de fluidos.

Elementos de mando y control.

Elementos actuadores.

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Elementos de un sistema neumático

Los compresores elevan la presión del aire hasta el valor adecuado para su utilización.

Compresor, accionado por un motor eléctrico o de combustión interna.

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Elementos generadores de energía

Es el conjunto de tuberías que distribuyen el aire comprimido por todo el circuito neumático.

Los depósitos y los acumuladores tienen como misión mantener un nivel de presión adecuado en el circuito neumático.

Red de distribución

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Componentes situados con anterioridad al elemento que utiliza el aire comprimido, y que tienen como misión suministrar el aire en las mejores condiciones posibles:

Dispositivos de secado

Filtros

Reguladores de presión

Lubricadores

Unidad de mantenimiento=Filtro + regulador de presión +lubricador + manómetro

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Elementos de tratamientos de fluidos

Se encargan de conducir de forma adecuada la energía comunicada al aire en el compresor hacia los elementos actuadores (VÁLVULAS).

Según la función que desempeñan:◦ Válvulas de control de dirección◦ Válvulas de control de caudal◦ Válvulas de control de presión

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Elementos de mando y control

Transforman la energía del fluido en movimiento en trabajo útil:

Cilindros

Motores

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Elementos actuadores

Central Generación Aire Comprimido

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Compresor y refrigerador

Presión manómetro

Válvula seguridad

Purga condesados

Válvula de purga

Depósito acumulador

Tubería distribución

SWP10bar Válvula de corte

M

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El sistema neumático básico

1. Compresor 2. Motor eléctrico 3. Presostato 4. Valvula antiretorno5. Depósito 6. Manómetro 7. Purga automática 8. Válvula de seguridad9. Secador de aire refrigerado 10. Filtro de línea

1. Purga del aire 2. Purga automática 3. Unidad de acondicionamiento del aire4. Valvula direccional 5. Actuador 6. Controladores de velocidad

Central Generación Aire Comprimido

Ver 71

Ver 38

Ver 90

Elevan la presión del aire hasta la presión de servicio.

En su funcionamiento aparecen implicadas dos magnitudes:

◦ La presión que se le comunica al aire. Relación de compresión=Psalida/Pentrada

◦ El caudal (Q=V/t=S*L/t=S*vel.

Compresores

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Compresores volumétricos:◦ Se basan en la ley de Boyle-Mariotte, de manera

que para elevar la presión del aire reducimos su volumen.

Compresores dinámicos:◦ 1º El aire se hace pasar por una tubería de

sección cada vez mas reducida aumenta la velocidad.

◦ 2º La energía cinética comunicada al aire se convierte en energía de presión.

Clasificación compresores

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Compresión del aireCompresores

COMPRESORES VOLUMÉTRICOS

ALTERNATIVOS ROTATIVOS

EMBOLO PALETADIAFRAGMA TORNILLO ROOTS

Compresión del aireCompresores

COMPRESORES DINÁMICOS (TURBOCOMPRESORES)

DE FLUJO RADIAL DE FLUJO AXIAL

Fundamento: El aire se hace pasar por una serie de conductos de sección cada vez menor (caudal cte.) velocidad . A continuación se hace pasar por un difusor velocidad incrementándose su presión.

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Otros modelos

Compresión del aire

Compresor de émbolo de una sóla etapa

Aire en la gama de 3 - 7 bares

Compresión del aire

Compresor de émbolo de dos etapas

Aire ~ 7 bares Tª final 120 ºC

Compresión del aire

Compresor de diafragma

• Aire hasta 5 bares

• Libre de aceite

Compresión del aire

Compresor rotativo de paletas deslizantes

• Tª final 190 ºC

• Son muy silenciosos

Compresión del aire

Compresor rotativo de tornillo

• Caudales > 400 m3 / min

• Presión > 10 bares

Compresores dinámicos

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Compresores dinámicos

40

Diagrama de caudal

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El diámetro de las tuberías se elige en función de:◦ El caudal◦ La longitud de las tuberías◦ La pérdida de presión (admisible)◦ La presión de servicio◦ La cantidad de estrangulaciones (codos, manguitos,..)

◦ Presión de servicio: La suministrada por el compresor o acumulador y existe en las tuberías que alimentan a los consumidores.

◦ Presión de trabajo: La necesaria en el puesto de trabajo.

Dimensionado de las tuberías

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Distribución del aire

Línea principal con final en línea muerta

Distribución del aire

Línea principal en anillo

Distribución del aire

Líneas secundarias

Distribución del aire

Purgador automático

Volver

Sistemas de conexión

Conexión por inserción en codo orientable

Sistemas de conexión

Conexión autoestanca

Dispositivos de secado

Filtros

Reguladores de presión

Lubricadores

Unidad de mantenimiento=Filtro + regulador de presión +lubricador + manómetro

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Elementos de tratamientos de fluidos

Agua en el Aire Comprimido

Agua en el aire comprimido• Cuando se comprimen grandes

cantidades de aire se produce una cantidad considerable de condensados.

• El vapor de agua natural que contiene el aire atmosférico licua como en una esponja.

• El aire en el interior del recipiente continuará saturado (100% HR).

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purga

aire totalmente

saturado

Condensado

Agua en el aire comprimido• La cantidad de vapor de agua que contiene una muestra de aire

atmosférico se mide por la humedad relativa en % HR. Este porcentaje es la proporción de la cantidad máxima de agua que puede contener el aire a una temperatura determinada.

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-40

-20

0 10 20 30 40 50

0

20

40

Gramos vapor agua / metro cúbico aire g/m3

60 70 80

Tem

per

atu

ra C

elsi

us

25% RH 50% RH 100% RH

A 20o Celsius100% HR = 17.4 g/m3

50% HR = 8.7 g/m3

25% HR = 4.35 g/m3

Agua en el aire comprimido• La ilustración muestra cuatro cubos donde cada uno representa 1 metro

cúbico de aire atmosférico 20º C. Cada uno de estos volúmenes tiene una humedad relativa del 50% HR. Esto quiere decir que contiene 8.7 gramos de vapor de agua, la mitad del máximo posible que es 17.4 gramos.

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Agua en el aire comprimido• Cuando el compresor comprime estos cuatro metros cúbicos en uno

solo luego habrá 4 veces 8.7 gramos, pero tan solo dos de estas partes se pueden mantener como vapor en un metro cúbico de volumen. Las otras dos partes condensaran en gotas de agua.

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Agua en el aire comprimido• Cuando el compresor comprime estos cuatro metros cúbicos en uno

solo luego habrá 4 veces 8.7 gramos, pero tan solo dos de estas partes se pueden mantener como vapor en un metro cúbico de volumen. Las otras dos partes condensaran en gotas de agua.

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Agua en el aire comprimido• Cuando el compresor comprime estos cuatro metros cúbicos en uno

solo luego habrá 4 veces 8.7 gramos, pero tan solo dos de estas partes se pueden mantener como vapor en un metro cúbico de volumen. Las otras dos partes condensaran en gotas de agua.

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Agua en el aire comprimido• Cuando el compresor comprime estos cuatro metros cúbicos en uno

solo luego habrá 4 veces 8.7 gramos, pero tan solo dos de estas partes se pueden mantener como vapor en un metro cúbico de volumen. Las otras dos partes condensaran en gotas de agua.

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Agua en el aire comprimido• 4 metros cúbicos a presión atmosférica

contenidos en 1 metro cúbico producen una presión de 3 bares de manómetro.

• 17.4 gramos de agua se mantienen como vapor produciendo el 100% HR y los otros 17.4 gramos condensan en agua líquida.

• Esto es un proceso continuo, de manera que cuando el manómetro marca 1 bar, cada vez que se comprime un metro cúbico de aire y se añade al metro cúbico contenido, otros 8.7 gramos se comprimen.

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Caudal de aire comprimido

Unidades de caudal• El caudal se mide como volumen

de aire libre por unidades de tiempo.

• Las unidades usuales : – Litros normales o decímetros

cúbicos por segundo lN/s o dm3/s– Metros cúbicos por minuto

m3N/min– Pies cúbicos normales por minuto

scfm

• 1 m 3/m = 35.31 scfm• 1 dm 3/s = 2.1 scfm• 1 scfm = 0.472 l/s• 1 scfm = 0.0283 m3/min

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1 metro cúbicoo 1000 dm3

Caudal aire Libre• El espacio entre las barras

representa el volumen real que ocupa un litro de aire libre a su respectiva presión.

• El caudal es el resultado de la presión diferencial, a un bar absoluto (0 de manómetro) solo habría caudal en vacío.

• Si la velocidad fuese la misma en cada caso el caudal seria el doble que en el caso anterior.

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Volumen real de 1 litrode aire libre a presión

0

1/8

1/16

1/4

1/2

1 litro1bar a

2bar a

4bar a

8bar a

16bar a

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1.- El aire pasa a través de un conjunto de capas de sustancias secantes.

2.- Al combinarse el vapor de agua con dichas sustancias, se combinan químicamente y el agua se desprende como mezcla de agua y sustancia secante.

3.- Al mismo tiempo se separan partículas de aceite.

• Adsorber. Atraer y retener en la superficie de un cuerpo moléculas o iones de otro cuerpo.

• El material de secado es granuloso SiO2 (gel)

• El gel adsorbe el agua y el vapor de agua.

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Se basan en la reducción de la temperatura del punto de rocío.

Una vez enfriado por 2ª vez por el grupo frigorífico (1,7º), se eliminan el agua y aceite condensados.

Finalmente se puede hacer pasar el aire comprimido por un filtro fino para eliminar nuevamente partículas de suciedad

Aceite+agua

volver

Vaporizador

Tratamiento del aire

Filtro estándar

Eliminar impurezas y el agua condensada.

Los componentes líquidos y las partículas grandes de suciedad se acumulan en la parte inferior debido a la fuerza centrífuga.

Volver

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(poros 40μm)

67

Mantener la presión de trabajo (secundaria) lo mas cte. posible, independientemente del consumo de aire y de las variaciones que sufra la presión de red (primaria).

P1>P2

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Tratamiento del aire

Regulador estándar

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71

Actuadores

Cilindros

Tipos de cilindros

Actuadores

Cilindro de simple efecto

Actuadores

Cilindro de doble efecto

Actuadores

Construcción del cilindro

Actuadores

Fijación de cilindros

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78

Con amortiguación interna

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Válvulas• Los mandos neumáticos están constituidos por:

– Elementos de señalización– Elementos de mando– Elementos de trabajo

• Según la función que realizan:– Válvulas de control de dirección, puesta en marcha y paro.– Válvulas de control de presión– Válvulas de control de caudal.

80

Tipos de válvulas según su forma constructiva

• Válvulas de asiento– Asiento esférico– Asiento Plano

• Válvulas de corredera– Émbolo– Émbolo y cursor– Disco giratorio

81

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Tipos de válvulas• Válvulas de vías o distribuidoras• Válvulas de bloqueo:

– Válvulas antirretorno – Válvulas selectoras de circuito (OR)– Válvulas antirretorno y de estrangulación– Válvulas de escape rápido– Válvula de simultaneidad (AND)

• Válvulas de presión:– Válvulas de regulación de presión– Válvulas de limitación de presión (válvula de seguridad)– Válvulas de secuencia

• Válvulas de caudal• Válvulas de cierre.

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Válvulas de control direccional

Válvulas de control direccional

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Válvulas de control direccional

Válvula de 5 vias

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Ejemplos con Automation Studio

Ejemplos con Automation Studio

Ejemplos con Automation Studio

Ejemplos con Automation Studio

g

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Caudal a través de válvulas• Si no se dispone del conjunto de curvas pero se conocen la

conductancia y la relación crítica de presiones, el valor del caudal para cualquier caida de presión se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

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Q = C P1 1 -1 - b

P2

P1

- b

2

Donde : P1 = aguas arriba barP2 = aguas a bajo barC = conductancia dm3/s/bar b = relación crítica de presionesQ = caudal dm3/s

Caudal a través de válvulas• El Coeficiente de caudal Cv es un factor calculado

a partir del caudal de agua que circula a través de un componente neumático con una pérdida de presión de 1 p.s.i.

Q : caudal en l N / minAP : caída de presión en barP1 : presión de entrada en barP2 : presión de salida en barT : temperatura abs. (273º + C).

121

CvQ

P P PaT

114 5

21,

( )

Caudal a través de válvulas

• El Coeficiente de caudal Kv es un factor calculado a partir del caudal de agua que circula a través de un componente neumático con una pérdida de presión de 1 bar.

Vn : caudal en l N / minAP : caída de presión en barGn : Gravedad específica (1 para el aire)P2 : presión de salida en barT 1 : temperatura abs. (273º + C)

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Kv Vn GnTP P 504

12

123