Instalaciones
Instalaciones
neumáticas
neumáticas
Salvador de las Heras Jiménez
Diseño del libro, de la portada y de la colección: Manel Andreu
Primera edición: octubre 2003
Salvador de las Heras Jiménez, del texto 2003 Editorial UOC, de esta edición
Aragó, 182, 08011 Barcelona www.editorialuoc.com
Material realizado por Eureca Media SL Impresión: Gráficas Rey, S.L. ISBN del producto: 84-9788-002-1 ISBN del libro: 84-9788-001-3 Depósito legal:
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Editorial UOC 5 Nota del editor
Nota del editor
Estimado lector:
Para un mejor aprovechamiento de la obra que acaba usted de adquirir, le queremos in-formar de cuál ha sido nuestra pretensión al crearla y presentarla en un doble soporte: CD-ROM y libro en papel.
• La obra, en su totalidad, se halla completamente desarrollada en la versión CD-ROM, donde se hallan todos los textos, gráficos, animaciones, simulaciones, ilus-traciones, etc. que conforman el conjunto de la misma.
• Para facilitar la comprensión sobre el conjunto de la obra y su rápida consulta en cualquier circunstancia, hemos preparado en forma de libro, que es lo que usted tiene en las manos en este instante, una versión resumida. En esta versión se han seleccionado parte de los textos y alguna ilustración de las que figuran en el for-mato digital. La versión en libro, por tanto, está pensada como una especie de “guía de lectura” de la obra completa que se halla en CD-ROM.
Editorial UOC Índice
Índice
Capítulo 1. Introducción a la Neumática ... 11
Introducción ... 11
1. Aplicaciones generales de la neumática industrial ... 12
2. Transmisión de energía (STE) ... 13
2.1. Características generales ... 13
2.2. Etapas de un STE ... 13
2.3. Parámetros significativos de los accionamientos ... 14
2.4. Características positivas y negativas ... 14
3. Propiedades del aire ... 15
3.1. Conceptos básicos ... 15
3.2. Magnitudes físicas de interés ... 15
3.3. Leyes de los gases ... 19
4. Principios generales de conservación ... 23
4.1. Conservación de la masa ... 23
4.2. Conservación de la cantidad de movimiento ... 24
4.3. Conservación de la energía ... 24
4.4. Ecuación de Bernouilli ... 25
Capítulo 2. Compresión del aire ... 27
Introducción ... 27
1. Compresores ... 28
1.1. Generación de aire comprimido ... 28
1.2. Tipos de compresores ... 28
1.3. Tabla resumen de las familias de compresores ... 29
2. Elección de un compresor ... 30
2.1. Criterios de selección ... 30
2.2. Capacidad teórica, nominal y normal ... 30
2.3. Presiones de servicio y trabajo ... 31
2.4. Potencia neumática ... 31
3. Instalación y mantenimiento ... 33
3.1. Instalación típica de un compresor medio ... 33
3.2. Regulación de servicio de un compresor ... 33
3.4. Sala de compresores ... 34
3.5. Mantenimiento del compresor ... 35
Capítulo 3. Preparación y tratamiento del aire comprimido ... 37
Introducción ... 37
1. Fuentes de contaminación ... 38
1.1. Fuentes internas y externas ... 38
2. Calidad ... 39
2.1. Norma estándar internacional ... 39
3. Cuidado ... 41
3.1. Preparación antes de su distribución ... 41
4. Unidades FRL ... 42
4.1. Unidades modulares ... 42
4.2. Filtro, regulador y lubricador ... 42
Capítulo 4. Distribución del aire comprimido ... 45
Introducción ... 45
1. Diseño de la red de distribución ... 46
1.1. Consideraciones generales ... 46
1.2. Otras consideraciones ... 46
2. Tipos básicos de trazado ... 47
2.1. Circuitos abiertos y cerrados ... 47
2.2. Líneas secundarias ... 47
3. Dimensionamiento de la red ... 48
3.1. Compromiso entre diseño y coste ... 48
3.2. Las pérdidas de presión ... 48
3.3. El diámetro adecuado de la instalación ... 48
3.4. El caudal máximo ... 50 4. Conectores ... 51 4.1. Elementos de interconexión ... 51 4.2. Racordaje ... 51 4.3. Tipos de roscas ... 52 4.4. Conducciones ... 53
Editorial UOC Índice
Capítulo 5. Componentes de trabajo ... 57
Introducción ... 57
1. Actuadores neumáticos ... 58
1.1. Actuadores lineales ... 58
1.2. Actuadores rotativos ... 59
2. Selección de los actuadores ... 60
2.1. Selección de los actuadores lineales ... 60
2.2. Selección de los actuadores de giro ... 61
2.3. Selección de los motores neumáticos ... 62
Capítulo 6. Componentes de mando ... 65
Introducción ... 65
1. Válvulas distribuidoras ... 66
1.1. Categorías generales de válvulas ... 66
1.2. Válvulas auxiliares ... 68
1.3. Válvulas proporcionales ... 69
2. Selección del tamaño de válvula ... 70
2.1. Guía básica de selección ... 70
2.2. Caudal másico en una válvula ... 71
2.3. La norma ISO 6358 ... 71
2.4. Otros métodos de cálculo ... 72
2.5. Otras consideraciones ... 72
3. Acoplamiento válvula-cilindro ... 74
3.1. Condicionantes del acoplamiento ... 74
3.2. Regulación de la velocidad ... 74
Capítulo 7. Diseño de circuitos tipo ... 77
Introducción ... 77
1. Circuitos básicos ... 78
1.1. Circuitos básicos con cilindros de simple efecto ... 78
1.2. Circuitos básicos con cilindros de doble efecto ... 78
1.3. Otros circuitos convencionales ... 79
Unidades de conversión ... 93
Símbolos estándar ... 95
Glosario... 111
Editorial UOC 11 Introducción a la Neumática
Capítulo 1. Introducción a la Neumática
Introducción
La neumática es la tecnología que utiliza aire comprimido como medio transmisor de energía, y engloba el conjunto de técnicas para su transmisión, control y regulación. Cuando se habla de neumática nos estamos refiriendo a la tecnología que utiliza el aire comprimido como medio transmisor de energía. La energía, generada en un emplaza-miento lejano, es transmitida a través de una línea y utilizada localmente por actuadores, motores y otros elementos de trabajo, para realizar una determinada función última o facilitar el desempeño de una función a otro ingenio mecánico.
La neumática engloba el conjunto de técnicas para la transmisión de la energía, su con-trol y regulación, tanto para el mando de fuerzas como el de movimientos, destinadas al gobierno de dispositivos mediante aire comprimido.
Más adelante se verá que la neumática no es la única tecnología disponible para realizar las funciones descritas. Los sistemas de transmisión de energía pueden ser básicamente: mecánicos, hidráulicos, neumáticos y eléctricos. En la práctica, la elección de uno de es-tos sistemas radica en diversas consideraciones que atañen a factores técnicos, como la precisión, regularidad o repetitividad de un movimiento, por ejemplo; a factores energé-ticos, como el consumo de aire comprimido o el rendimiento de la instalación; pero tam-bién a factores funcionales, como las necesidades de mantenimiento, reposición de recambios o facilidad de uso e interpretación.
1. Aplicaciones generales de la neumática industrial
La automatización de los procesos productivos es, hoy día, una necesidad en las indus-trias modernas que pretenden ser competitivas. La neumática ayuda a estas empresas a aumentar su flexibilidad y el ritmo de producción gracias a las características del aire comprimido como medio transmisor y la adaptabilidad que permiten sus componentes. Los actuadores neumáticos se utilizan eficientemente en aplicaciones industriales donde es preciso el control continuo de una magnitud (posicionado de cargas u obtu-radores de válvulas, control de movimiento o trayectoria, etc.) así como en procesos discontinuos de manipulado y automatización (cadenas de montaje, embaladoras, máquinas de packaging, etc.).
Los límites de utilización de un sistema de control o conducción con aire comprimido pueden cifrarse en términos de los parámetros significativos descritos en el apartado “Parámetros significativos”, entre los cuales se encuentran, por ejemplo, el nivel de es-fuerzos a realizar, la precisión del posicionado, el tiempo de ciclo alcanzable o el control fino de la velocidad y la regularidad del movimiento.
El control de la aceleración, de la velocidad de desplazamiento y de la frenada de un cilindro neumático puede hacerse hoy día mediante sistemas inteligentes de control implementados en PC o PLC de serie.
Editorial UOC 13 Introducción a la Neumática
2. Transmisión de energía (STE)
Los sistemas de transmisión de la energía pueden ser mecánicos, hidráulicos, neumáticos y eléctricos.
La elección de la neumática como técnica de accionamiento para un proceso indus-trial depende de muchos factores y, evidentemente, la rentabilidad global es el factor fundamental.
En ocasiones, el coste del aire comprimido no es una variable fuerte del proceso de selección del tipo de sistema a utilizar al compararse con el rendimiento de la instala-ción o los costes de reparainstala-ción, sustituinstala-ción y mantenimiento. El coste de los compo-nentes individuales determina en gran medida esta elección, pero tampoco es el único criterio. Siempre debe considerarse la facilidad de regulación del sistema, la seguridad de los componentes y los costes añadidos de mantenimiento y revisión periódica. Estas razones han hecho de la neumática una de las técnicas preferidas de la mayoría de los usuarios.
Además, el coste energético del conjunto de la instalación ha de contemplarse cada vez más en un entorno global, en el que las empresas tienen como objetivo la reducción de contaminantes por medio del mejor aprovechamiento de materiales y consumibles. El uso de materiales ecológicos, reciclados y el ahorro de energía pasan a ser técnicas habi-tuales del marketing y del trabajo cotidiano de estas empresas.
2.1. Características generales
Los sistemas de transmisión de energía pueden ser básicamente: mecánicos, hidráulicos, neumáticos y eléctricos, y se caracterizan por tener una entrada y una salida (o varias) de potencia (el trabajo absorbido y comunicado por unidad de tiempo), y una entrada y una salida (o varias) de señales de control o estado de proceso (útiles para la monitorización y gobierno a distancia).
2.2. Etapas de un STE
Un sistema de transmisión de energía neumático se puede dividir en tres secciones: sección de entrada, sección de salida y sección de control.
2.3. Parámetros significativos de los accionamientos
El desarrollo completo de la tabla precedente puede verse en el CD de la obra.
2.4. Características positivas y negativas
El desarrollo completo de la tabla precedente puede verse en el CD de la obra.
Editorial UOC 15 Introducción a la Neumática
3. Propiedades del aire
El aire es un gas formado por moléculas de diferentes gases que se mueven libremente por el espacio. En la práctica usual puede considerarse como un gas ideal y, en conse-cuencia, se rige por las leyes generales de éstos.
3.1. Conceptos básicos
El aire es un gas que está formado por moléculas que se mueven libremente por el espa-cio. Al moverse se producen colisiones y rebotes de modo que, si el gas está confinado en un contorno cerrado, el efecto macroscópico promediado puede suponerse represen-tativo del estado global del conjunto de moléculas que componen el aire.
El aire es una mezcla de gases simples que puede tratarse, a las presiones y temperaturas normales de funcionamiento, como un gas ideal.
La composición volumétrica del aire es la indicada en la figura adjunta, y su peso mole-cular medio es Maire = 28,967 g/mol.
3.2. Magnitudes físicas de interés
Para entender mejor los procesos tecnológicos asociados a la técnica neumática, es nece-sario tener unas nociones básicas de algunos fundamentos físicos, propiedades y leyes. Por ejemplo, es común referirse cuando se trabaja en neumática a términos físicos como presión, temperatura o caudal. A continuación se describen estas magnitudes.
3.2.1. Presión
La presión se define en física como la fuerza que actúa normal, es decir, perpendicular, a una unidad de superficie. En sistema internacional de unidades se define en pascales [Pa], que representa una fuerza de un newton sobre un área de un metro cuadrado: 1N/m2.
Son posibles otras unidades (podéis ver las tablas generales de esta obra que encontraréis desarrolladas en el CD).
La presión está íntimamente ligada a otras magnitudes físicas como la fuerza, el volu-men, etc., y lleva asociados muchos compañeros de viaje en forma de nombres distintos o “apellidos”. La presión puede ser atmosférica, absoluta, relativa, negativa, dinámica, etc. En ocasiones, también se describe en términos de la altura o profundidad de una colum-na de fluido. Esta controversia proviene de la estática de fluidos, donde se relaciocolum-na la presión con la altura (a menudo interpretada en la práctica como profundidad) de una columna de fluido. La altura es un término que tiene unidades de longitud [m], y que se acostumbra a describir como metros columna de fluido, mientras que la presión tiene unidades de fuerza por unidad de superficie [N/m2]. Se dice que la presión en la base de
una columna de fluido equivale al peso de la columna por unidad de área.
Cuando nos referimos a la presión atmosférica, nos referimos al peso de una columna de aire de altura igual a la atmósfera. La presión relativa hace referencia a la presión atmos-férica local, definiendo un cambio de origen de presiones según:
pABS = patm + pREL
En la práctica a veces se plantean dudas sobre cuál de estas presiones usar. Ha de quedar claro que la presión absoluta va asociada a la existencia de masa. Sin masa, en el vacío absoluto, la presión absoluta es cero. A presión relativa cero, la presión absoluta es la atmosférica y la presión atmosférica es la que nos envuelve estando por todo el entorno sin cambios locales significativos.
Desde el punto de vista dinámico, y en entornos locales, es indiferente hacer servir una u otra, pues los objetos no se mueven sólo por la acción de la presión atmosférica no nula. Sí que se pueden mover, no obstante, por sus variaciones.
Pero si bien no se observan efectos dinámicos importantes por estar rodeados de una pre-sión atmosférica u otra, desde el punto de vista fisiológico los efectos pueden ser letales. A más presión el aire que respiramos es más denso y más pesado, y el organismo humano no está preparado para ello.
3.2.2. Fuerza, par
La fuerza, F, puede definirse según la primera ley de Newton como el producto de la masa, m, y la aceleración, a, de ésta en un momento dado.
Editorial UOC 17 Introducción a la Neumática
La acción de una fuerza lleva siempre consigo la aparición de una reacción, local o a distancia, de modo que un objeto de masa m, sobre el que no se realice fuerza alguna, se mantendrá en movimiento a velocidad constante indefinidamente (segunda y tercera leyes de Newton).
El par o momento de giro, M, es el producto de la fuerza aplicada y el brazo de palanca efectivo, R. Una extensión de la ley de Newton indica que la aplicación de un par no compensado sobre un cuerpo de inercia, J, cambiará su estado de movimiento giratorio adquiriendo la aceleración angular, , que resulte de la ecuación.
FR = M = J
3.2.3. Velocidad lineal y angular
La velocidad en un punto se define como el ritmo de cambio de su posición a lo largo del tiempo. Si el movimiento tiene lugar en línea recta, se dice que la velocidad es lineal y el movimiento, de traslación en línea recta.
Para un conjunto de puntos materiales animados todos de la misma traslación, como por ejemplo el vástago de un cilindro en movimiento, son válidas las mismas leyes generales para la cinemática y la dinámica, entre ellas los principios de Newton vistos en el apar-tado anterior, que para una partícula aislada.
Cuando el sistema de puntos constituye un cuerpo rígido que gira alrededor de un eje fijo en el espacio, las trayectorias de todos sus puntos son líneas circulares centradas en el eje y contenidas en planos normales.
3.2.4. Caudal
El caudal se define como la cantidad de fluido, en este caso aire, que atraviesa una super-ficie dada por unidad de tiempo. La cantidad de aire puede describirse de diferentes for-mas y en diferentes condiciones. Por ejemplo, es común referirse a caudal volumétrico o másico, pero también a caudales normales o no.
Ambas formas de caudal están relacionadas entre sí y con la densidad del aire, , median-te la fórmula:
G = Q
El caudal se dice que es normal cuando el volumen de aire que atraviesa la superficie por unidad de tiempo se describe utilizando las condiciones normales de presión ( N = 1bar)
y temperatura (TN = 20 C), para el mismo gasto másico transportado. El caudal normal se relaciona con el caudal volumétrico real gracias a la expresión:
G = Q = NQN donde N es la densidad normal (N = 1,185 kg/m3).
La superficie acostumbra a ser estacionaria, permeable y virtual, es decir, no se mueve, per-mite el paso del aire a su través y se imagina en una determinada posición a elección del calculista. Como lo normal es escoger la superficie, S, perpendicular al flujo de aire y a la entrada o salida de válvulas y conductos, cuando el aire la atraviesa en estas condiciones con una velocidad media V, el caudal volumétrico se calcula mediante la expresión:
Q = VS
Si el aire presenta una densidad , entonces el flujo másico correspondiente se evalúa con:
G = VS
3.2.5. Temperatura
La temperatura es una medida de la energía calorífica o de agitación térmica que posee un determinado colectivo de moléculas.
Editorial UOC 19 Introducción a la Neumática
3.3. Leyes de los gases
La palabra gas procede del latín chaos, caos (palabra que fue inventada por el químico Van Helmont, en el siglo XVII). Si bien el comportamiento de las partículas del gas se describe bien con esta palabra, la verdad es que el gas en su conjunto se comporta se-gún reglas más sencillas que los sólidos o los líquidos.
Para una muestra de aire contenido en un recipiente se pueden determinar fácilmente su masa, su volumen, la presión que ejerce contra las paredes y su temperatura media; ade-más de otras magnitudes como el ratio de intercambio térmico, la velocidad de difusión o la velocidad con la que escaparía por un orificio practicado en una de las paredes. ¡Y eso no es todo! También se puede predecir cuál será su estado macroscópico futuro ante cambios de cualquiera de las magnitudes anteriores. Todo gracias a la aplicación de las siguientes leyes de los gases.
3.3.1. Ley de Boyle
La ley de Boyle describe la relación entre presión y volumen a temperatura y masa cons-tantes. Su forma analítica es:
p1V1 = p2V2
La fórmula anterior indica que la relación de volúmenes y presiones entre dos estados está invertida. Es decir, al disminuir el volumen que contiene una cantidad constante de gas, su presión aumenta:
3.3.2. Ley de Charles
La ley de Charles describe la relación entre volumen y temperatura absoluta a presión y masa constantes. Su forma analítica es:
p1 p2 --- V2 V1 ---= V1 T1 --- V2 T2 ---=
La fórmula anterior indica que la relación de volúmenes y temperaturas entre dos estados es directa. Es decir, al disminuir la temperatura del aire, éste tendrá tendencia a ocupar menos volumen:
3.3.3. Ley de Gay-Lussac
La ley de Gay-Lussac describe la relación entre presión y temperatura absoluta a volumen y masa constantes. Su forma analítica es:
La fórmula anterior indica que la relación de presiones y temperaturas entre dos estados es directa. Es decir, al disminuir la temperatura del aire, éste ejercerá menos presión contra las paredes que lo contienen:
3.3.4. Ecuación de estado
Las leyes de los apartados anteriores se pueden agrupar en una única ecuación que se conoce con el nombre de ley de los gases ideales. Es,
pV = mRT
donde p y T son la presión y temperatura absolutas, y V el volumen que ocupa la masa m de gas, de constante R. Para el aire atmosférico R = 287 J/kgK.
Los gases reales se desvían del comportamiento ideal porque las moléculas no son puntos sin volumen ni forma, que además se atraen y chocan entre sí de forma inelástica. Sus ecuaciones de estado son más complicadas y sólo se usan en casos donde se requiera mucha precisión o las presiones superen los 25 bar. En neumática se trabaja con la ecuación de estado de los gases ideales.
T2 T1 --- V2 V1 ---= p1 T2 --- p3 T2 ---= T2 T1 --- p2 p1 ---=
Editorial UOC 21 Introducción a la Neumática
3.3.5. Ley de Dalton
La ley de Dalton de las presiones parciales es de aplicación a una mezcla de gases, como lo es el aire, y dice que la presión total de la mezcla es la suma de las presiones parciales de sus componentes individuales. Es decir, cada componente se comporta como si fuera el único gas presente. Para una mezcla de 3 componentes:
pTOT = p1 + p2 + p3
3.3.6. Procesos termodinámicos
Los estados descritos por las leyes anteriores eran de equilibrio. En este sentido, las ecua-ciones anteriores relacionan la presión, temperatura y volumen de estados de reposo ma-croscópico. La ley de Boyle, por ejemplo, relacionaba la presión con el volumen entre dos estados de equilibrio, 1 y 2. Se sabe de la experiencia que cuando se comprime aire en un pistón, desde un volumen V1 a otro V2, si bien la presión aumenta también lo hace la
temperatura. Si al final del proceso de compresión se deja recuperar la temperatura inicial
T1, la presión en 2 será la descrita por la ley de Boyle.
La perspicacia suscita la siguiente situación: si el movimiento del pistón es suficiente-mente lento, ¿la temperatura aumentará? Esta observación es correcta y permite intro-ducir los conceptos de tiempo de proceso y transferencia de calor. Para procesos muy lentos, el aire contenido en el pistón tiene tiempo suficiente para transferir calor a su en-torno. De esta manera, el calor generado en el proceso de compresión se evacua y la tem-peratura se mantiene constante. Si el proceso se hace más rápido no hay tiempo para intercambiar calor y la temperatura aumenta. El primero de los procesos se denomina
iso-térmico. El segundo, adiabático . Los procesos intermedios se denominan politrópicos.
Para sistemas de masa constante: • En un proceso isotérmico:
• En un proceso adiabático: , siendo la relación de calores específicos del gas ( = 1,4)
• En un proceso politrópico: , siendo n el coeficiente politrópico.
Para sistemas de masa variable, se describen las anteriores en función de la densidad :
p1 V1 = p2 V2
p1 V1 = p2 V2
• En un proceso isotérmico:
• En un proceso adiabático:
• En un proceso politrópico:
La realidad es pues más complicada. Muchos de los procesos que interesa conocer trans-curren por caminos no definidos siquiera (las magnitudes termodinámicas sólo están de-finidas en equilibrio). En estos procesos, denominados irreversibles por reales, han de tenerse en cuenta efectos como las pérdidas de energía, y se han de aplicar los principios de conservación generales del apartado siguiente.
p1 1 --- p2 1 ---, = p1 1 --- p2 1 ---, = p1 1n --- p2 2n ---. =
Editorial UOC 23 Introducción a la Neumática
4. Principios generales de conservación
Los principios de conservación son herramientas que permiten relacionar magnitudes fí-sicas como la presión, la velocidad o la temperatura entre sí. Son principios, es decir, se basan en la observación y carecen de demostración matemática. Su aplicación más orto-doxa requiere de cierta experiencia técnica, aunque la práctica cotidiana facilita su uso en la mayor parte de ocasiones. Son principios de conservación: el principio de conser-vación de la masa y el principio de conserconser-vación de la energía.
4.1. Conservación de la masa
El principio de conservación de la masa enuncia que ésta ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.
En un sistema por donde fluye aire en régimen permanente –a gasto, G, constante–, como el difusor visto anteriormente, se cumple que la masa que entra es la que sale del difusor. Entre las secciones de entrada y salida de la figura se verifica que:
Como el aire es compresible, no hay razón para imponer que ambas densidades hayan de ser iguales. Si fuera así, entonces también se verificaría que:
Si se analiza un proceso de carga o descarga, puede ocurrir que la masa del volumen cam-bie con el tiempo. En otras palabras, que se presente acumulación de masa. La diferencia entre la masa que entra y la que sale por unidad de tiempo del volumen que se estudia constituye el ratio de acumulación de masa (en terminología matemática se utiliza el concepto “derivada temporal” de una magnitud ).
Escrito en forma de ecuación, teniendo presente que M = V:
G = E VE SE = S VS SS Q = VE SE = VS SS : d dt ---GE–GS dm dt --- V d dt --- dV d t ---+ = =
Si el volumen es constante, entonces los cambios de masa van unidos a los cambios de densidad y:
4.2. Conservación de la cantidad de movimiento
En mecánica el concepto de cantidad de movimiento (producto de masa y velocidad,
mV) se utiliza para describir el estado de movimiento de una partícula o sistema de
partículas, y se relaciona con las fuerzas actuantes mediante la primera ley de Newton, generalizada para el caso de masa variable.
Se dice que la fuerza resultante aplicada sobre la partícula o suma de partículas es igual a la variación de la cantidad de movimiento por unidad de tiempo. La forma unidireccio-nal de la mecánica para este principio es la siguiente:
Cuando se trabaja con fluidos, y con aire en particular, este principio adquiere una forma más complicada. Restringiendo el análisis al caso más sencillo de régimen permanente, el principio queda de la forma:
Los vectores representan la velocidad del fluido en las secciones de salida y entrada del volumen que encierra el fluido. La anterior expresión justifica la propulsión que obtiene un globo de goma cuando deja escapar aire.
4.3. Conservación de la energía
La ecuación de la energía relaciona el cambio de estado de la materia con la energía que se la ha comunicado. En palabras más técnicas, cuando un sistema de masa constante
GE–GS V d dt ---= F d mV( ) d t ---= F = GS VS–GE VE V
Editorial UOC 25 Introducción a la Neumática
recibe una cantidad de calor, Q, éste la invierte en realizar un trabajo, W, y en incremen-tar su energía interna, U. El primer principio de la termodinámica para un sistema cerrado se escribe, para un gas ideal en el que U = mcVT, así:
Cuando el sistema es abierto y el régimen permanente, es decir, existe tránsito de masa entre dos secciones pero en un punto cualquiera las magnitudes no dependen del tiempo (como son muchos de los sistemas que tratan con fluidos y aire comprimido) se adapta la expresión anterior a la forma:
Si la densidad puede suponerse constante, entonces:
4.4. Ecuación de Bernouilli
La ecuación de Bernouilli es una forma simplificada de la ecuación de la energía para una corriente de fluido. Si no se consideran las pérdidas por fricción (tratadas más adelante en esta obra), el fluido puede considerarse incompresible (líquidos en general o gases a baja velocidad sin cambios importantes de presión) y el régimen es permanente, la ecua-ción de Bernouilli revela que la suma: permanece constante en el flujo. Si hubiera pérdidas de presión, como es común e inevitable en la práctica, éstas pueden incluirse “artificialmente” de la siguiente manera:
Q+W mcV d T d t ---= Q+W G cV TS pS S --- VS 2 2 --- gzS–cV TE pE E ---– VE 2 2 ---– –gzE + + + = Q+W G cV T S–TE p---S–pE VS 2 V E2 – 2 --- g z S–zE + + + = p V2 2 --- gz + + pE VE2 2 --- gzE + + pS VS2 2 --- gzS pérdidas + + + =
Editorial UOC 27 Compresión del aire
Capítulo 2. Compresión del aire
Introducción
La neumática utiliza aire comprimido para realizar un trabajo. El aire comprimido es aire atmosférico sometido a presión y acondicionado. Generación de aire comprimido es el proceso de elevación de presión del aire atmosférico en la sección de entrada del sistema neumático.
1. Compresores
El compresor aumenta la presión del aire atmosférico hasta el nivel de servicio necesario, siendo el componente característico de la sección de entrada de un STE neumático. Los compresores se dividen en dos grandes familias: volumétricos y dinámicos.
En un sistema de transmisión de energía neumático, el aire comprimido recorre las di-ferentes secciones de entrada, de control y de salida. El componente característico de la sección de entrada es el compresor.
1.1. Generación de aire comprimido
Por generación de aire comprimido entendemos el proceso de elevación de presión del aire atmosférico en la sección de entrada del sistema neumático.
El componente característico de la sección de entrada de un sistema de transmisión de energía (STE) neumático es el compresor.
El objetivo de un compresor es aumentar la presión del aire atmosférico mediante la transformación de la energía proporcionada por una fuente exterior.
El aumento de presión del aire atmosférico en el compresor depende del tipo de compre-sor y del servicio requerido; en los sistemas neumáticos convencionales este aumento es del orden de 5 a 10 bares. A este nivel de presión, el aire a su paso por el compresor, se puede considerar como un gas perfecto.
1.2. Tipos de compresores
Según su principio de funcionamiento, los compresores se dividen en dos grandes familias: volumétricos y dinámicos. Dentro de ambas familias hay numerosas morfologías, que dan origen a la distinción de varios subtipos y subfamilias. A continuación describimos algunas.
Editorial UOC 29 Compresión del aire
1.3. Tabla resumen de las familias de compresores
El desarrollo completo de la tabla precedente puede verse en el CD de la obra.
Las configuraciones representadas en esta tabla resumen son las típicas, pero no las únicas.
2. Elección de un compresor
La elección del compresor se realiza sobre la base del caudal a suministrar y la presión de trabajo. Normalmente se engloban por tamaños en diferentes categorías, pudiendo ser pequeños, medianos o grandes según el caudal.
2.1. Criterios de selección
El rango de tamaños de los compresores empleados en neumática comprende desde com-presores de caudal inferior a 1 l/s, con o sin equipo de tratamiento, hasta instalaciones múltiples en las cuales los compresores generan caudales de varias centenas de m3/h. Los tamaños de los compresores se engloban en las siguientes categorías:
• Pequeños: caudales de hasta 40 litros por segundo y potencia de entrada de no más de 15 kW.
• Medianos: caudales de entre 40 y 300 litros por segundo y potencia de entrada de en-tre 15 y 100 kW.
• Grandes: cualquiera por encima del límite anterior.
El mejor compresor se elige fundamentalmente a partir del caudal que deba suministrar y la presión de trabajo.
Otros condicionantes son el rendimiento energético, el ruido de la instalación, los requi-sitos de mantenimiento y reposición y, claro está, el coste total.
2.2. Capacidad teórica, nominal y normal
El caudal ue suministra un compresor se puede expresar de diferentes formas. Si se des-cribe en kg/s, el caudal será másico o gasto másico, G; es decir, la cantidad de masa que por unidad de tiempo impulsa el compresor. El caudal volumétrico, Q, se relaciona con el caudal másico por la expresión G = Q.
La capacidad nominal del compresor define el valor del caudal volumétrico que sumi-nistra el compresor, medido en las condiciones de la aspiración. Este caudal no se debe
Editorial UOC 31 Preparación y tratamiento del aire...
confundir con el caudal teórico que impulsaría un compresor volumétrico sin pérdidas ni fugas, ni tampoco con el caudal de servicio, aquél que se mediría en las condiciones de trabajo a presión.
La capacidad del compresor se suele referir a la atmósfera normal de referencia (ANR), para el cual la densidad es constante. Las unidades del caudal normal o estándar se acompañan con una N mayúscula, con la palabra normal o con las siglas ANR. En la práctica, los caudales normal y nominal se confunden, puesto que la atmósfera ANR está muy próxima a las condiciones de aspiración. También se denominan caudal de
aire libre.
2.3. Presiones de servicio y trabajo
La presión que proporciona un compresor debe cumplir con los requisitos de presión en la aplicación.
La primera es la denominada presión de servicio, que responde a las características téc-nicas del compresor y está garantizada por el fabricante. La segunda, la presión de tra-bajo, es la presión del aire comprimido necesaria en el lugar de utilización –en general, comprendida entre 3 y 8 bares.
Más adelante veremos que estas presiones no coinciden en la práctica porque se produ-cen pérdidas por el camino –normalmente asociadas al flujo del aire a través de los con-ductos y otros componentes– que revierten en el rendimiento de la instalación y en el sobredimensionado del compresor. No conviene que la presión de servicio sea mucho mayor que la de trabajo.
2.4. Potencia neumática
En general, la potencia se define como la energía consumida, disipada, almacenada o producida por unidad de tiempo.
La potencia neumática generada en un compresor se define como el producto del caudal y la presión de servicio. Es decir:
Mediante una transformación podemos referir la potencia producida al caudal normal del compresor (1). Si además empleamos la ecuación de los gases perfectos, es posible reescribir la ecuación de otra manera (2):
Y dado que en la práctica las temperaturas absolutas no son muy diferentes, , se tiene que:
La potencia neumática que el compresor genera ha de ser:
a) Mayor que la potencia consumida por todos los útiles, actuadores y consumidores en general de la instalación. En este cálculo no sólo hay que tener en cuenta la potencia mecánica, o potencia útil, generada por los actuadores, sino también la pérdida de potencia ocasionada por la distribución del aire comprimido. Por ejemplo, si por una válvula neumática pasa un caudal de 60 l/min y la pérdida de presión a través de la válvula es de 2 bar, la potencia disipada o perdida en la válvula viene dada por la expresión siguiente:
Aunque el compresor producirá esta potencia, los actuadores nunca la utilizarán toda. b) Menor que la potencia del accionamiento del compresor. Por ejemplo, si el acciona-miento es eléctrico, la potencia nominal del motor eléctrico empleado debe ser supe-rior que la potencia neumática instalada.
(1) N pQ N --- QN = = (2) N p pN RTN ---p+1 RT --- QN 1+ --- T TN --- pN QN = = TN = T N 1+ --- p N QN = N pQ 2 bar 105 Pa 1 bar --- 60 l/min 1 m3/s 60.000 l/min --- 200 W. = = =
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3. Instalación y mantenimiento
La instalación del compresor se realiza en una sala, denominada de compresores, donde también se alojan otros componentes destinados al tratamiento y acondicionamiento del aire comprimido antes de su distribución.
3.1. Instalación típica de un compresor medio
Los principales componentes que se observan en una instalación típica de un compresor de tamaño medio son los siguientes:
La unidad compresora integrada, que incluye el filtro de entrada, el compresor con mo-tor eléctrico y un refrigerador y separador posterior.
El depósito compuesto de un manómetro y sendas válvulas de seguridad y purga. Los de-pósitos se utilizan para suavizar las demandas pulsantes y proporcionar un enfriado y purga de agua adicionales.
3.2. Regulación de servicio de un compresor
El servicio de un compresor se puede regular para adaptar la generación de aire compri-mido a la demanda. De este modo, el compresor no debe estar en marcha continuamente o no tiene que estarlo a plena carga. Ambas situaciones suponen un ahorro energético y prolongan la vida del compresor.
Sea cual sea el compresor y el tipo de regulación, la variable que ha de controlar el siste-ma de regulación es la presión en el depósito.
3.3. Depósitos de aire comprimido
La mayoría de las instalaciones neumáticas, incluidas las de menor tamaño y las portáti-les, disponen de uno o varios depósitos acumuladores.
El desarrollo completo de la tabla precedente puede verse en el CD de la obra.
3.4. Sala de compresores
Durante la compresión del aire se producen altas temperaturas que revierten en el calen-tamiento del local donde se halla el compresor. Por este motivo, conviene que el empla-zamiento disponga de una refrigeración eficiente y que respete otras consideraciones, la mayoría regidas por el sentido común. A continuación se enumeran algunas:
• La sala del compresor tiene que estar bien ventilada y debe ubicarse junto a un muro exterior orientado al norte.
• Las tomas de aire del exterior, o respiraderos, se hallarán a suficiente altura como para evitar la entrada de polvo o arena del tránsito de vehículos.
• El filtro de entrada aspirará sólo aire limpio y seco, lejos de humos del parque de vehículos a motor y de humos de disolvente de la planta de pintura o almacén.
• Deberán evitarse ubicaciones donde el aire pueda tener unos niveles de humedad altos. Por ejemplo, al lado de estanques, ríos o canales.
• Se evitarán ubicaciones donde el viento arrastre polvo, gravilla o suciedad.
• La toma del techo de la planta debe estar protegida del clima y de emisiones de con-ductos y chimeneas.
Editorial UOC 35 Preparación y tratamiento del aire...
3.5. Mantenimiento del compresor
Para mantener el compresor en buenas condiciones, se recomienda: • Comprobar con frecuencia la temperatura del aire descargado. • Limpiar a menudo el filtro de aceite.
• Confirmar que no haya vibraciones.
La periodicidad de mantenimiento dependerá de la instalación y su uso. En general, determinadas partes requieren un mantenimiento semanal y ciertas otras, un manteni-miento mensual.
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Capítulo 3. Preparación y tratamiento
del aire comprimido
Introducción
El aire comprimido está siempre contaminado en mayor o menor grado. Es necesario re-ducir la cantidad de impurezas que lo contaminan para alargar la vida útil de la instala-ción y bajar los costes de mantenimiento o sustituinstala-ción de sus componentes.
1. Fuentes de contaminación
Los contaminantes del aire comprimido pueden tener origen interno o externo a la ins-talación. Su eliminación se realiza mediante filtros, separadores y secadores en función de la calidad del aire requerida.
1.1. Fuentes internas y externas
Las fuentes de contaminación del aire comprimido pueden ser internas y externas a la instalación. El aire atmosférico es una gran fuente de contaminación natural, con canti-dades de partículas extrañas y polvo que se han de filtrar incluso antes de comprimir el aire. Durante la generación del aire comprimido se añaden impurezas como restos de aceites quemados, cenizas y gases; y también durante su distribución, ya que es difícil evitar que los conductos estén completamente libres de óxidos o cascarillas de pintura.
Los principales contaminantes son las gotas de agua y de aceite y las partículas sólidas. Cada tipo requiere elementos de depuración diferente.
Editorial UOC 39 Preparación y tratamiento del aire...
2. Calidad
La contaminación del aire comprimido debe ser reducida a unos mínimos en función de la calidad del aire requerida, la cual se representa mediante un código de tres cifras.
2.1. Norma estándar internacional
La Norma Internacional Estándar ISO 8573-1 define las características de calidad del aire comprimido para uso general. En su primera parte, “Clases de contaminantes y calida-des”, marca los niveles de contaminación permitidos por cada clase de calidad.
Los niveles de contaminación vienen dados según el tipo de contaminante: • Partículas sólidas
• Agua • Aceite
Una clase de calidad de aire viene definida por tres números, según la clave incluida en la siguiente tabla:
Tabla 1
Sólidos Agua Aceite
Clase Dimensión máxima de partícula [m] Concentración máxima de partícula [mg/m3] Temperatura del punto de rocío a presión [C] Concentración [mg/mm3] 1 2 3 4 5 6 7 0,1 1 5 15 40 -0,1 1 5 8 10 -–70 –40 –20 3 7 10 No especificado 0,01 0,1 1 5 25 -Clave de designación de la calidad del aire
Por ejemplo, 1.7.1 es la clase de filtración que corresponde a un filtro de máxima eficacia. Es importante entender que cada aplicación presenta un grado de calidad óptimo que ve-rificará los requisitos funcionales con el menor coste. En función del grado de calidad se eligen los componentes de filtración, refrigeración y secado adecuados.
En la tabla siguiente se muestran las características de calidad para varias aplicaciones:
2.1.1. Temperaturas de punto de rocío
Para obtener temperaturas de punto de rocío tan bajas como las que aparecen en la tabla de designación de la calidad del aire, vista en el punto anterior, se deben utilizar secadores de aire.
La temperatura de punto de rocío es la temperatura de la mezcla vapor de agua-aire en la cual la humedad relativa es del 100%. La temperatura del punto de rocío a presión es aquella a la que el aire comprimido se debe enfriar para que el vapor de agua contenido lo sature y condense. La temperatura de rocío cambia con la presión a que se encuentra la mezcla. La temperatura de rocío a presión tiende a ser superior a la temperatura de rocío a presión atmosférica.
Tabla 2
Aplicación Clase de calidad
Sólidos Agua Aceite
Industria alimenticia 1 3 1
Aire de instrumentación 1-2 2-1 2
Pulverización de pintura 1-3 3-2 1-3
Herramientas manuales 4 4 5
Aire general para talleres 4 3 5
Equipos de minería 4 5-2 5
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3. Cuidado
El aire atmosférico, una vez comprimido por el compresor, debe ser enfriado, filtrado y seca-do antes de su distribución, para eliminar la parte más importante de contaminantes posible.
3.1. Preparación antes de su distribución
Al tratar las fuentes de contaminación se ha visto que el cuidado por el aire comprimido comienza incluso antes de su aspiración y también se han recomendado las ubicaciones más adecuadas para las tomas de aire de la sala de compresores o su orientación. A con-tinuación se explican los componentes que preparan el aire comprimido antes de intro-ducirse en la red de distribución.
El desarrollo completo de la tabla precedente puede verse en el CD de la obra.
4. Unidades FRL
El aire comprimido, una vez distribuido, debe ser tratado por unidades compuestas por un filtro, un regulador y/o un lubricador para adecuarlo a las condiciones de utilización.
4.1. Unidades modulares
Cuando se alude a una unidad FRL se hace referencia a la combinación de un filtro, un regulador de presión y un lubricador. Una forma adecuada de combinar estos compo-nentes es usar un sistema modular.
La misión de una unidad FRL (filtro, regulador y lubrificador) es preparar el aire compri-mido justo antes de entregarlo al equipo neumático o a la máquina.
De este modo se garantiza que el suministro de aire sea limpio y seco, que la presión ten-ga el valor adecuado y que las finas partículas de aceite arrastradas por el aire lubriquen las partes pesadas de las válvulas, los cilindros y las herramientas.
Las unidades modulares permiten conectar el filtro, el regulador y el lubricador de forma sencilla e intercambiable. Se montan sobre soportes para pared ensamblados a la pinza de sujeción rápida y adaptadores de conexión para fijar la tubería rígida. Las unidades pueden unirse y deslizarse por la tubería mediante las quikclamps, y es posible sacarlas rápida y fácilmente para su mantenimiento o sustitución y sin que sea necesario actuar sobre la tubería.
4.2. Filtro, regulador y lubricador
4.2.1. Filtro estándar
La misión de un filtro es separar y acumular contaminantes. La separación del agua y de las partículas sólidas más grandes se consigue con unas paletas que hacen girar el aire cuando entra en el depósito. Estas partículas caen hacia el fondo del depósito, mientras que las más pequeñas son retenidas por el material filtrante del cartucho.
La limpieza de los contaminantes a presión se puede realizar de forma manual. Si se da un cuarto de vuelta a la válvula situada en el fondo, la rosca del extremo final permite canalizar la purga al exterior.
Editorial UOC 43 Preparación y tratamiento del aire...
Estos filtros incorporan indicadores de colmatado que pueden ser eléctricos o visuales. De este modo, es posible sustituir el filtro antes de que el caudal disminuya o la pérdida de presión sea inadmisible.
4.2.2. Regulador de presión
El regulador de presión reduce la presión de alimentación P1 a una presión de trabajo P2 adecuada.
Es frecuente encontrar unidades que combinan filtro y regulador, pues suponen un aho-rro considerable en comparación con el precio de dos unidades por separado.
4.2.3. Lubricación
Los componentes neumáticos deben lubricarse para que funcionen mejor y sus juntas tengan una larga vida. Las válvulas, los actuadores y los accesorios de una aplicación típica pueden operar con diferentes proporciones y frecuencias, y requieren proporciones de aceite igualadas. Un lubricador en línea representa un método adecuado de satisfacer esta demanda.
En un lubricador, las gotas de aceite se atomizan y forman una fina neblina en el aire que alimenta la aplicación. La cantidad de aceite suministrado se ajusta de forma automática cuando el caudal de aire cambia, de modo que el resultado es una lubricación de densi-dad constante.
Hay dos tipos principales de lubricador: los de niebla, o oil fog, y los de microniebla, o
Editorial UOC 45 Distribución del aire comprimido
Capítulo 4. Distribución del aire comprimido
Introducción
El aire comprimido se hace llegar a los puntos de utilización por una red de distribución. En este bloque se describen las características de dicha red en función de su morfología, su tamaño, el material y el diámetro de sus conducciones.
1. Diseño de la red de distribución
El diseño de la red se acomete teniendo en consideración cuestiones como el trazado idó-neo, las pérdidas admisibles, la previsión de aumento de consumo y el hecho inevitable que el aire puede contaminarse en ella.
1.1. Consideraciones generales
El ciclo del aire comprimido en una instalación se completa cuando los actuadores fina-les lo utilizan para efectuar un trabajo. Hasta ahora se ha visto cómo los compresores comprimen el aire, cómo los refrigeradores, filtros y secadores lo preparan antes de la dis-tribución, y de qué modo las unidades FRL lo disponen antes de su utilización final. Una red de distribución de aire comprimido conduce el aire comprimido hacia la alimen-tación de las máquinas consumidoras. En esta sesión se describen algunos puntos gene-rales que conviene tener en cuenta para llevar a cabo la distribución por red. Más adelante se expondrá cómo se dimensiona y cuáles son las propiedades de los materiales y elementos de conexión que se utilizan con más frecuencia.
1.2. Otras consideraciones
Otras consideraciones a la hora de planear una red de aire comprimido son las siguientes: • Diseñar la red principal sobredimensionada en previsión de futuras ampliaciones de
la factoría y del consecuente aumento de consumo.
• Facilitar las labores de mantenimiento y vigilancia. Por ejemplo, evitar los conduc-tos oculconduc-tos o enterrados.
• Evitar al máximo recorridos sinuosos o repletos de racores, codos y otros elementos de conexión. A veces, es preferible utilizar tramos más largos que generen menos pér-didas de presión.
• No demorar las operaciones de mantenimiento rutinarias, prueba de fugas y fun-cionamiento de los purgadores automáticos o semiautomáticos.
Editorial UOC 47 Distribución del aire comprimido
2. Tipos básicos de trazado
Los tipos básicos de trazado son en anillo abierto y en anillo cerrado.
2.1. Circuitos abiertos y cerrados
Hay dos tipos básicos de trazado de redes de aire comprimido: los circuitos en bucle abierto, o de final en línea muerta, y los circuitos cerrados, o líneas en anillo.
El desarrollo completo de la tabla precedente puede verse en el CD de la obra.
2.2. Líneas secundarias
Es muy frecuente en las redes de aire comprimido disponer de líneas cerradas separadas de la red principal por válvulas de aislamiento y reguladas a un a presión inferior. De esta forma se pueden alimentar pistolas y otros dispositivos que no requieren de mucha presión reduciendo el consumo de aire comprimido.
Como ya se ha dicho anteriormente, se recomienda que las tomas de presión se realicen en forma de garrota desde la parte superior del conducto y que los puntos de purga se sitúen en la parte inferior para facilitar la captación y evacuación del agua.
3. Dimensionamiento de la red
El diámetro más adecuado para una instalación depende de cuál sea el caudal máxi-mo transportable previsto y la pérdida de presión admisible desde el punto de vista económico.
3.1. Compromiso entre diseño y coste
El coste de la red de distribución supone un porcentaje elevado del coste total de la ins-talación de aire comprimido. Por ello, antes de tomar alguna decisión equivocada, es importante buscar un compromiso entre la inversión inicial y los costes de explotación y mantenimiento.
El objetivo final de cualquier diseño es adecuar el diámetro de los conductos y las pérdi-das de modo que los costes de instalación y montaje puedan amortizarse en un periodo de tiempo razonable.
3.2. Las pérdidas de presión
Las pérdidas de presión en una instalación son una manifestación de la pérdida de ener-gía asociada al flujo de aire y deben reducirse en lo posible. Cuanto mayores resulten las pérdidas de presión, menor será el rendimiento de nuestra instalación y mayores sus gas-tos de explotación. Hay que tener presente que las pérdidas de presión son inevitables en cualquier instalación, por mucho que esté sobredimensionada.
Básicamente hay dos fenomenologías de pérdidas: las pérdidas de presión en conductos lineales y las pérdidas de presión en elementos singulares.
3.3. El diámetro adecuado de la instalación
En el dimensionamiento de una red de tuberías hay que tener en cuenta los parámetros siguientes:
• La presión de trabajo.
Editorial UOC 49 Distribución del aire comprimido
• La longitud de la tubería y el número de accesorios que deben incluirse en función del trazado elegido.
Como criterio de partida para el cálculo del diámetro más adecuado se toma la pérdida de presión total admisible en la instalación o la pérdida de presión específica admisible. Estos valores tienen que elegirse en función de condicionantes no sólo energéticos, ya que las instalaciones de menor diámetro son de menor coste, aunque provoquen más pérdidas de energía.
1. Un valor de compromiso para la pérdida de presión admisible ronda los 0,1 ó 0,3 ba-res. En función de este parámetro, y atendiendo a las fórmulas, es posible elegir el diá-metro de la tubería.
2. Cuando se usa el criterio de la pérdida de presión específica constante, es posible re-ducir de forma progresiva el diámetro del conducto en función de los consumos par-ciales de la instalación. Un valor común de esta pérdida estaría comprendido entre los 1 ó 3 mbar/m.
3. Mantener constante la pérdida de presión específica conduce a diseños en los cuales la velocidad del aire puede tomar valores muy distintos. Por este motivo, a veces se calculan las ramificaciones de forma que la energía cinética del aire se mantenga in-variable en todas las derivaciones.
Conviene comparar los cálculos de todos los procedimientos explicados para elegir un valor de compromiso entre los distintos resultados.
La tabla de diámetros de referencia que presentamos aquí representa un buen punto de partida a la hora de seleccionar el diámetro de un tramo de conducto. A partir de la tabla se obtiene el diámetro más adecuado para cada intervalo de caudal en función de la lon-gitud del tramo. La presión de trabajo no aparece como variable y, en consecuencia, los resultados que se obtengan deben verificarse analíticamente. Se insiste en que la tabla debe actuar sólo como referencia en un primer tanteo inicial.
3.4. El caudal máximo
Hemos recomendado sobredimensionar la instalación con previsión de futuras amplia-ciones o de un posible aumento del consumo. Los gráficos siguientes revelan hasta qué punto la instalación existente se mostrará operativa ante un eventual aumento del caudal.
Tabla 1
Caudal de aire libre [NL/min] Diámetro de tubo recomendado
Hasta 500 3/8 " hasta los 10 m de conducto
1/2 " hasta los 20 m de conducto Hasta 1.000 3/8 " hasta los 7 m de conducto1/2 " hasta los 15 m de conducto Hasta 1.250 3/8 " hasta los 3 m de conducto1/2 " hasta los 12 m de conducto Hasta 1.500 1/2 " hasta los 7 m de conducto3/4 " hasta los 15 m de conducto Hasta 1.750 1/2 " hasta los 3 m de conducto3/4 " hasta los 12 m de conducto
Hasta 2.000 1/2 " hasta los 2 m de conducto
3/4 " hasta los 10 m de conducto
Hasta 2.250 3/4 " hasta los 12 m de conducto
Hasta 2.500 3/4 " hasta los 7 m de conducto1 " hasta los 15 m de conducto Hasta 3.000 3/4 " hasta los 5 m de conducto1 " hasta los 12 m de conducto Diámetros de referencia
Editorial UOC 51 Distribución del aire comprimido
4. Conectores
Los racores y conectores facilitan la conexión de los diferentes elementos neumáticos entre sí, sean éstos conductos, válvulas o actuadores.
4.1. Elementos de interconexión
Los elementos de interconexión se utilizan para conectar entre sí válvulas y tubos, y para el empalme, prolongación o derivación de conductos. Son accesorios necesarios para transportar el aire comprimido, y deben cumplir con unos mínimos requisitos:
• Tener dimensiones reducidas y mínima pérdida de presión. • Ser de conexión rápida y estanca.
• Resistir las vibraciones y los esfuerzos mecánicos.
• Ser químicamente estables y no agresivos con el entorno.
4.2. Racordaje
Se conoce con el nombre racor el accesorio de conexionado que se utiliza en neumática. La práctica cotidiana ha extendido mucho su uso y ha generado diversidad de variantes constructivas que se han ido adaptando a las necesidades específicas de la industria. En-tre las variantes con que pueden distinguirse racores distintos, hallamos las siguientes: • El tipo de conexión
• La rosca utilizada
• El tamaño del tubo de conexión y el número de orificios o vías • El material
• El ángulo de conexión • Una función específica
Es normal referirse a las diferentes familias por el tipo de conexión que utilizan. También hay familias enteras de racores dedicadas a un tipo de industria específico.
El desarrollo completo de la tabla precedente puede verse en el CD de la obra.
4.2.1. Racores comunes y con funciones especiales
El desarrollo completo de la tabla precedente puede verse en el CD de la obra.
4.3. Tipos de roscas
La mayoría de las aplicaciones neumáticas se sirven de los tipos de roscas estándar más difundidos en los ámbitos tecnológicos europeo y americano y extendidos después a sus áreas de influencia técnica o económica.
Las roscas pueden ser básicamente cónicas o paralelas. Hay distintas normas de aplica-ción para cada caso en funaplica-ción de la zona de influencia.
Editorial UOC 53 Distribución del aire comprimido
4.3.1. Roscas estándar
El desarrollo completo de la tabla precedente puede verse en el CD de la obra.
4.3.2. Sellado de la conexión
El sellado de la conexión se puede conseguir por dos procedimientos básicos, según se usen racores planos o cónicos.
El desarrollo completo de la tabla precedente puede verse en el CD de la obra.
4.4. Conducciones
Las conducciones de aire comprimido quedan definidas por su diámetro interior (i/d –input diameter) o exterior (o/d –output diameter) y por el material de que están hechas, el cual les confiere las propiedades de resistencia mecánica y térmica, de maleabilidad y conformado necesarias.
4.4.1. Diámetros
Los tamaños de tubo suelen identificarse por su diámetro exterior (o/d). Así se facilita su identificación y el conexionado con los racores y las válvulas.
• En el ámbito métrico, los diámetros son: 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 22, 28, etc., todos en milímetros o/d (mm o/d).
• En el ámbito de pulgadas: 1/8, 5/32, 3/16, 1/4, 5/16, 3/8, 1/2, 5/8, 3/4, etc., en pulgadas o/d (" o/d)
En los cálculos de pérdidas de presión debe usarse el diámetro interno del tubo y no el externo.
4.4.2. Materiales
La presión y la temperatura máximas de trabajo son los factores primordiales que debe-mos tener en cuenta para la selección del material de las conducciones de aire compri-mido. No obstante, deben considerarse también otros condicionantes como la rapidez de instalación, la facilidad de uso, su vida útil o el coste global.
Al elegir el material, deben contemplarse las cuestiones siguientes:
1. La presión máxima de servicio de la mayoría de los sistemas neumáticos está com-prendida entre los 10 y 16 bares. Si se necesitan conductos para presiones superiores, hay que solicitar la recomendación del correspondiente servicio técnico. En lo que respecta al racordaje, la mayoría de los modelos son seguros a presiones superiores a la de trabajo, aunque seguiremos tomando las debidas precauciones cuando se elijan o instalen.
2. Por norma general, las tuberías de plástico están más limitadas en presión y tempera-tura que las metálicas. Para temperatempera-turas extremas, es conveniente usar racores de compresión y conductos metálicos.
3. Se preferirán tuberías de plástico para la conexión de elementos neumáticos por su flexibilidad. Este material permite su corte a medida y la conexión rápida mediante enchufes y conductos metálicos.
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4. El cobre se usará donde se requieran propiedades especiales de resistencia a la corro-sión y al calor. El sistema hecho de cobre es rígido, pero fácil de instalar. Son relati-vamente caros para diámetros superiores de 30 milímetros.
Editorial UOC 57 Componentes de trabajo
Capítulo 5. Componentes de trabajo
Introducción
Los actuadores neumáticos son componentes capaces de proporcionar potencia y movi-miento a sistemas automatizados, máquinas y procesos. Se clasifican en lineales y rotativos.
1. Actuadores neumáticos
El término actuadores neumáticos se utiliza en aquellos componentes mecánicos desti-nados a transformar la energía neumática de presión y caudal en trabajo mecánico en la etapa de salida de un sistema de transmisión de energía (STE) neumático.
Los actuadores neumáticos son componentes capaces de proporcionar potencia y movi-miento a sistemas automatizados, máquinas y procesos. Según la forma como se obtenga el trabajo, los actuadores neumáticos se clasifican en los tipos siguientes:
• Actuadores lineales. La potencia mecánica que desarrollan se define como el produc-to de la fuerza por la velocidad lineal. Los actuadores lineales más usados son los cilindros neumáticos, aunque en la práctica el desplazamiento lineal se puede conseguir por medio de otras configuraciones.
• Actuadores rotativos. La potencia mecánica que desarrollan se define como el producto del par por la velocidad angular. Los actuadores rotativos pueden ser de giro, cuando el movimiento se restringe a ángulos inferiores a una vuelta del actuador, o motores, cuan-do el movimiento de rotación tiene lugar de forma continua, sin límite de vueltas. En general, los actuadores neumáticos toleran condiciones adversas de trabajo, como alta humedad o ambientes polvorientos, y son de fácil limpieza y mantenimiento.
1.1. Actuadores lineales
Un cilindro neumático es un componente sencillo, de bajo coste, fácil de instalar e ideal para producir movimientos lineales. La carrera del cilindro determina el movimiento máximo que éste puede producir. La presión máxima de trabajo depende del diseño del cilindro, aunque está limitada en la práctica por condicionantes energéticos.
La velocidad que se puede conseguir con un cilindro tiene un amplio margen de ajuste: puede oscilar entre 0,1 m/s y 1 m/s, o más si se dispone de los elementos de amortigua-ción adecuados. En la práctica, se pueden conseguir velocidades inferiores al límite mar-cado mediante dispositivos de regulación de velocidad que eviten el movimiento descontrolado que causa el rozamiento.
La fuerza que ejerce un cilindro se controla por medio de reguladores de presión y está limitada por el diámetro del cilindro y la presión de trabajo. A más diámetro o presión
Editorial UOC 59 Componentes de trabajo
se consiguen fuerzas mayores, a expensas de un mayor consumo de aire comprimido. En un ámbito práctico, la fuerza máxima que es posible ejercer está limitada a unos 30.000 N (unas 3 toneladas) a 7 bares de presión.
• Cilindro de simple efecto • Cilindro de doble efecto • Cilindros especiales
• Complementos de los actuadores lineales
1.2. Actuadores rotativos
Los actuadores rotativos se dividen en actuadores de giro y motores. En los actuadores de giro, el movimiento se restringe a ángulos inferiores a una vuelta. En los motores neu-máticos, el movimiento de rotación es continuo, sin límite de vueltas.
• Actuadores de giro • Motores neumáticos
2. Selección de los actuadores
La selección de los actuadores se realiza en función de la carrera y el esfuerzo a desarrollar, de la frecuencia de trabajo, los requisitos de amortiguación y el consumo de aire comprimido.
2.1. Selección de los actuadores lineales
La selección de un actuador lineal debe considerar la fuerza y carrera necesarias, la fre-cuencia máxima del accionamiento, la exclusión del pandeo del vástago, el consumo de aire comprimido y los requisitos de amortiguación.
Los parámetros fundamentales de un actuador lineal son los diámetros del émbolo y del vástago, y su carrera. La fuerza útil que puede ejercer un cilindro depende de estos diá-metros, de la presión de trabajo y de la fuerza resistiva de rozamiento.
La fuerza debida a la presión actuante sobre una superficie A se evalúa mediante la ex-presión siguiente:
F = A ∙ p.
Para un actuador de doble efecto como el de la figura, la fuerza de presión en movimiento a más, F+, y en movimiento a menos (o de rectroceso), F, respectivamente es (D y d se miden en milímetros, p en bar relativos y F en newtons):
Si es un cilindro sin vástago, d = 0. Si fuera de doble vástago, la fuerza de presión sería F para ambos sentidos de movimiento. La fuerza útil del actuador es la fuerza que queda disponible para desplazar, acelerar cargas o realizar cualquier tipo de trabajo.
No toda la fuerza de presión se dedica a realizar un trabajo útil, debido a:
• La fuerza de rozamiento interna, de magnitud cercana al 10% y siempre resistiva. • En cilindros de simple efecto con muelle, la fuerza debida al muelle, cuyo sentido
de-pende del movimiento.
• En cilindros de doble efecto, la fuerza de contrapresión debida a la presión residual de la cámara que se está descargando.
• En cilindros en disposición no horizontal, la componente proyectada de la fuerza peso.
F+ 40 --- D2p = F 40 --- D 2–d2p =
