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
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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)
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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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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.
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Tipos de válvulas según su forma constructiva
• Válvulas de asiento– Asiento esférico– Asiento Plano
• Válvulas de corredera– Émbolo– Émbolo y cursor– Disco giratorio
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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
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
Ejemplos con Automation Studio
Ejemplos con Automation Studio
Ejemplos con Automation Studio
Ejemplos con Automation Studio
g
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
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