Documento 198482

COLEGIO DE SAN FRANCISCO DE PAULA
Alexis Santos Alarcón.
Área de Tecnología.
4º de E. S. O.
NEUMÁTICA
NEUMÁTICA
4.1 INTRODUCCIÓN
4.2 BREVE HISTORIA
4.3 DEFINICIONES Y LEYES
4.4 ELEMENTOS BÁSICOS DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO
4.1 INTRODUCCIÓN
La automatización se puede considerar como el paso más importante del proceso
de la evolución industrial en el siglo XX, permitiendo la eliminación total o parcial de la
intervención humana. Con los consiguientes costos sociales y la permanente adaptación
correspondiente a los cambios que produce, se pueden enumerar las siguientes ventajas:
 Reducción de los costes directos de la mano de obra.
 Uniformidad de la producción y ahorro del material.
 Aumento de la productividad..
 Mayor control de la producción.
 Aumento de la calidad del producto final.
Por otra parte, habrá que tener en consideración que en todo proceso de automatización
se distinguen tres partes:



Elementos de entrada, a través de los cuales llega al sistema la información.
Unidad central de tratamiento de la información.
Elementos periféricos de salida que, de acuerdo con las órdenes elaboradas por la
unidad central, gobiernan los elementos de potencia.
Así pues, los circuitos neumáticos constan, básicamente, de los bloques o partes que se
indican a continuación:
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ENERGÍA
II
COMPRESOR
SECADOR
+
FILTRO
DEPÓSITO
VÁLVULAS
AIRE
CILINDROS
I
III
Figura 1
El aire comprimido puede ser empleado, indistintamente, como elemento:
a) Accionador o motriz. El cilindro hace las veces de un motor que desplaza un eje
hacia delante y detrás.
b) De mando o control. Mediante aire comprimido se puede controlar el cilindro o
elemento motriz.
4.2 BREVE HISTORIA

Siglo X a. C.
El griego Tesibios construyó un lanzador de flechas neumático que, preparado
manualmente, comprimía el aire en dos cilindros. Cuando se liberaba el gatillo que sujetaba la
cuerda del arco, el aire comprimido daba una mayor energía a la flecha, con lo que se alcanzaba
una distancia de tiro mucho mayor.

Año 1857: perforación del túnel de Mont-Cenis
El ingeniero francés Germain Sommeiller inventó una perforadora de aire comprimido que
permitía perforar túneles a una velocidad cuatro veces mayor que la realizada por medios
tradicionales. A partir de ese momento comenzó a usarse en la perforación de pozos, galerías,
etc.

Año 1880: invención del freno neumático.

Año 1888: Víctor Popp instala en París una red subterránea de distribución de aire
comprimido.
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4.3 DEFINICIONES Y LEYES
La composición del aire, respecto a su volumen, es de 21% de oxígeno, 78% de
nitrógeno y 1% de hidrógeno y otros gases.
4.3.1 PRESIÓN
Cuando nos referimos a la presión de un gas sobre las paredes del recipiente que lo
contiene, o a la presión ejercida sobre un líquido para obligarle a fluir, pensamos generalmente
en una fuerza. En realidad, la presión de un fluido (un líquido o un gas) está íntimamente ligada
con ella, pero no es lo mismo que una fuerza. La presión está relacionada con el valor de la
fuerza que el fluido ejerce en todas direcciones (las paredes del recipiente, por ejemplo.) Así
pues, su expresión vendrá dada como:
p
F
S
Donde
p: presión
F: fuerza
S: área de la superficie
En todo punto de la atmósfera terrestre existe una determinada presión que varía con la
altura y las condiciones meteorológicas y que se conoce como presión atmosférica. Se mide
con el barómetro (A efectos de cálculo, el valor de la presión atmosférica se considera igual a
1kg/cm2 = 1 atm  1 bar).
Parámetro
PRESIÓN
Sistema técnico
Atmósfera (atm)
Sistema Internacional
Pascal (Pa = N/m2)
Equivalencias
1 atm = 1,01325x105 Pa
= 1,01325 bar
= 760 mm Hg
4.3.2 AIRE COMPRIMIDO
El aire comprimido usado industrialmente procede del exterior, al cual se le comprime
hasta una presión de 6 bares, con respecto a la presión atmosférica, y se denomina presión
relativa.
Para su estudio consideraremos que se trata de un gas perfecto, es decir, cumple con las
siguientes propiedades y leyes de la termodinámica:


Sus moléculas se desplazan entre sí sin ninguna resistencia.
Cuando se cierra en un recipiente a presión, ésta se transmite por igual en todas
direcciones.
Presión absoluta = presión atmosférica + presión relativa
Los manómetros indican el valor de la presión relativa.
En la práctica, esta presión relativa de la instalación es de importancia capital y se
conoce con el nombre de presión de trabajo o presión efectiva.
Según las normas del CETOP (Comité Europeo de Transmisiones Oleohidráulicas y
Neumáticas), salvo indicaciones dada una presión se entenderá como relativa.
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4.3.3 CAUDAL
El caudal representa la cantidad de fluido que atraviesa una unidad de superficie por
unidad de tiempo. Esta cantidad de fluido puede expresarse en masa o en volumen, magnitudes
ellas que se relacionan entre sí por la densidad del fluido.
Por otra parte, en el caso de los gases esta densidad es variable con la presión y la
temperatura; permaneciendo prácticamente constante para la mayor parte de los líquidos.
El caudal se expresa en l/s, l/min, m3/min o m3/h.
Q
V eS

 vS
t
t
Donde
Q: caudal
V: volumen
t: tiempo
e: espacio
S: área
v: velocidad
4.3.4 POTENCIA NEUMÁTICA
El fluido usado en un mecanismo es el vehículo mediante el cual se transmite a los
receptores la potencia generada por una fuente exterior de energía (como por ejemplo un motor
eléctrico o uno de combustión interna).
La potencia instantánea consumida en un receptor es igual al producto de la fuerza por
la velocidad.
Supóngase un cilindro como receptor. La fuerza ejercida por dicho cilindro es igual a la
sección útil por la presión. Al avanzar el cilindro, el volumen creado por unidad de tiempo es
el caudal del fluido.
De aquí, la expresión de la potencia es:
Q
N  F  v  ( p  S)  ( )  p  Q
S
Donde
N: potencia
F: fuerza
v: velocidad
p: presión
S: área
Q: caudal
4.3.5 LEYES FUNDAMENTALES DE LOS GASES PERFECTOS
Son aquellas leyes que relacionan las magnitudes: presión (p), volumen (V) y
temperatura (T).

Ley de Boyle-Mariotte
A temperatura constante, el producto de la presión absoluta por el volumen que ocupa
el gas es constante:
p V  cte.  p1 V1  p2 V2  p3 V3 ...  pn  Vn
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
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Ley de Gay-Lussac
A presión constante, el volumen ocupado por una determinada masa de gas es
directamente proporcional a la temperatura absoluta:
V  kT
Es decir
V2 T2

V1 T1
Donde T1 y T2 son temperaturas absolutas, expresadas en grados Kelvin.

Ley de Charles
A volumen constante, la presión absoluta de una masa de gas es directamente
proporcional a la temperatura absoluta:
p  kT
Es decir
p 2 T2

p1 T1
4.4 ELEMENTOS BÁSICOS DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO
Su estudio se va a realizar atendiendo a tres grandes bloques:
4.4.1. Producción y tratamiento del aire comprimido (Bloque I en la figura 1)
4.4.2. Regulación y control (Bloque II en la figura 1)
4.4.3. Aplicación industrial (Bloque III en la figura 1)
4.4.1. PRODUCCIÓN Y TRATAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO
Como se ha indicado, corresponde al bloque I en la figura 1. El siguiente cuadro
muestra de forma esquemática lo que podría ser la producción y el tratamiento de aire
comprimido en una instalación:
COMPRESOR
REFRIGERADOR
ACUMULADOR
SECADOR
+
FILTRO
REGULADOR
LUBRICACIÓN
Figura 2
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El aire que se va a utilizar procede del entorno donde se encuentre instalado el
compresor. Ello significa que puede contener polvo, óxidos, partículas y otras sustancias,
además de agua. Hay que tratar de eliminar todo ello para que no afecte al normal
funcionamiento de los distintos elementos de que consta la instalación neumática. A
continuación se procederá al estudio somero de cada uno de ellos.
COMPRESOR
Es una máquina destinada a elevar la presión del aire que aspira de la atmósfera. A la
hora de instalarlo se deberá elegir un lugar exento de polvo y lo más fresco posible.
Las características principales de los compresores son el caudal (en Nm3/min) y la
relación de compresión (en bar o kp/cm3).
El siguiente cuadro muestra los principales compresores:
COMPRESORES
VOLUMÉTRICOS
ALTERNATIVOS
DINÁMICOS
TURBOCOMPRESORES
Radiales
De pistón o émbolo
Axiales
De 1 etapa
De 2 etapas
De diafragma
ROTATIVOS
De paletas
De tornillos
Roots
Figura 3
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a) Volumétricos: en ellos el aire que entra en un recipiente hermético es reducido a
un volumen inferior al que tenía a la presión atmosférica. El ejemplo más fácil es
pensar en el funcionamiento de una bimba para inflar un neumático de bicicleta.
b) Dinámicos: El aire que es aspirado aumenta su velocidad a medida que pasa por las
distintas cámaras, transformándose su energía cinética en energía de presión.
A continuación se estudiarán sólo algunos de los más importantes.
A) COMPRESOR DE PISTONES O DE ÉMBOLOS
Es el tipo más usado, pudiéndose utilizar como unidad móvil o fija. En él la compresión
se obtiene en uno o dos cilindros, en los cuales el émbolo comprime el aire. Se dividen en (ver
el cuadro de la Figura 3):
A.1. Compresor de pistón monofásico o de una etapa
Se trata de una máquina que transforma el movimiento circular de un eje procedente del
motor en un movimiento rectilíneo alternativo, mediante un mecanismo de biela-manivela.
Consta de una válvula de admisión y otra de escape, y el funcionamiento es como
sigue:


Al descender el émbolo la válvula de admisión se abre, debido a la depresión
generada, de forma que se llena el cilindro de aire.
Al ascender el émbolo se cierra la válvula de admisión, abriéndose la de escape,
por donde sale el aire ya comprimido.
Debido a dicha compresión, el aire eleva su temperatura, pudiendo llegar en algunos
casos hasta unos 180 ºC. Para poder evacuar el calor, se colocan alrededor del pistón unas
aletas de refrigeración.
Con este tipo de compresor se pueden conseguir presiones entre 3 y 10 bar.
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A.2. Compresor de pistón bifásico o de dos etapas
Aquí el aire se comprime en dos fases: en la primera se comprime entre 3 y 5 bar,
alcanzando los 50 bar en la segunda.
El aire que se ha comprimido en la primera fase se enfría mediante aletas exteriores o
mediante una conducción de agua. Así, el aire que llega al segundo compresor lo hace
refrigerado, donde se le vuelve a comprimir.
En líneas generales, se construyen compresores en las siguientes escalas:



De 1 etapa: para presiones de hasta 10 bar.
De 2 etapas: para presiones de hasta 50 bar.
De 3 y 4 etapas: para presiones de hasta 250 bar.
B) COMPRESOR ROTATIVO
Suministran, por una parte, presiones más bajas que los de pistones pero, por el
contrario, más volumen por unidad de tiempo. Las ventajas más notables son su marcha más
silenciosa y una entrega de aire más continua.


De 1 etapa: para presiones hasta de 4 bar.
De 2 etapas: para presiones de 4 a 8 bar.
Los caudales suministrados pueden llegar hasta los 100 Nm3/min, según tamaño.
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REFRIGERADOR
Como el aire que se ha comprimido alcanza una temperatura muy alta, se impone
refrigerarlo para bajarlo hasta unos 25 ºC.
En la etapa de refrigeración se condensa un 75% que contiene el aire. Este agua va
cayendo en la parte inferior, donde existe un grifo para su extracción.
a) Refrigeración para bajo caudal
El refrigerador está formado por tubos por los que circula agua: El aire que se va a
refrigerar circula en sentido perpendicular al agua, por el exterior de los tubos.
b) Refrigeración para alto caudal
Ahora es al revés, es decir, el aire circula por los tubos y el agua por el exterior.
Existen también refrigeradores aire-aire, cuando el suministro de agua es complicado o
cuando la baja presión del compresor no eleva demasiado la temperatura del aire.
ACUMULADOR
Es un depósito que se coloca a continuación del refrigerador, y su función consiste en:
 Amortiguar las oscilaciones de caudal de salida de los compresores alternativos.
 Permitir que los motores de arrastre de los compresores no tengan que trabajar de
manera continua, sino intermitente.
 Hacer frente a las demandas puntas del caudal sin que se produzca una caída de presión
en la red.
Generalmente es cilíndrico y de chapa de acero: La capacidad del depósito dependerá del
caudal del compresor y del consumo de la instalación, así como de la frecuencia de
conmutación. Se le acopla un sensor que pone en marcha o desconecta al compresor cuando la
presión disminuye o aumenta respecto a unos valores determinados. Por tanto, debe disponer de
un manómetro, así como de termómetro, una válvula de seguridad y una llave de purga para
evacuar condensados.
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SECADOR
Su objeto es reducir el contenido de vapor de agua que existe en el aire. Uno de los más
usados es el de absorción, al que le entra el aire por la parte inferior, atraviesa un material
poroso (dióxido de silicio) que absorbe la humedad.
Periódicamente se reemplaza este material, pues con el tiempo va perdiendo su
capacidad de absorción.
FILTRADO
La función del filtro es retener las impurezas que arrastra el aire comprimido. Estas
partículas provienen de:
 La atmósfera. Aunque el compresor ya suele llevar un filtro, puede que algunas
partículas no sean retenidas.
 La soldadura o calamina de la tubería por la que circula el aire comprimido. Con
frecuencia, el enfriamiento del aire produce condensación del vapor de agua contenido
aún en el aire, produciendo pequeñas oxidaciones que se desprenden, resultando muy
peligrosas para los componentes neumáticos.
Por la parte superior del filtro entra el aire, que es centrifugado. Las partículas sólidas más
gruesas y las gotas de agua se proyectan contra la pared interna de la cuba y caen a la parte
inferior. Ahora el aire sólo puede contener partículas muy finas ( entre 5 y 50 ).
Las impurezas que permanecen en el fondo son eliminadas mediante purgadores.
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REGULACIÓN Y REGLAJE DE PRESIÓN
El objetivo del regulador es mantener el aire de salida a una presión constante,
independientemente de las fluctuaciones de la red y las variaciones de la demanda.
Dispone de una membrana en la que actúa por un lado el aire de entrada y por el otro un
muelle reglado mediante un tornillo. La regulación consiste en la mayor o menor apertura de la
válvula del asiento.
LUBRICACIÓN
Constituye el último tratamiento del aire antes de su entrada en la máquina
correspondiente. Este aparato pulveriza aceite en el aire (basándose en el efecto Venturi) para
disminuir el rozamiento con los elementos neumáticos, aumentando, por consiguiente, la vida
útil de los mismos y evitando la oxidación.
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4.4.2. REGULACIÓN Y CONTROL
Corresponde al bloque II en la figura 1.
La presión y el caudal del aire comprimido que se va a usar para las partes motrices del
sistema neumático van a ser controlados mediante válvulas o distribuidores, que pasaremos a
estudiar: Las tres grandes categorías son:



Válvulas de dirección (distribuidores).
Válvulas antirretorno.
Válvulas de regulación de presión y caudal.

VÁLVULAS DE DIRECCIÓN (DISTRIBUIDORES)
Son las que gobiernan el arranque, paro y sentido de circulación del aire comprimido.
La misión que se encarga a estas válvulas en un circuito de automatización es la de mantener o
cambiar, según las señales recibidas, las conexiones entre los conductos que se interconectan
con ellas, para obtener una salida según el programa establecido.
Se definen por dos características funcionales:
a) Número de vías u orificios
Representa el número de agujeros que tiene una válvula, tanto de entrada como de salida.
b) Número de posiciones
Generalmente tienen dos posiciones, una que define el estado de reposo y otra el de trabajo.
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
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VÁLVULAS ANTIRRETORNO
Permiten la circulación del aire comprimido en un único sentido, quedando bloqueado su
paso en sentido contrario.
Para que pueda producirse corriente de aire es necesario que la fuerza ejercida por éste sea
mayor que la que opone el muelle.

VÁLVULAS DE REGULACIÓN DE PRESIÓN Y CAUDAL
Controlan, reguladas por un tornillo, el caudal suministrado por el sistema.
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4.4.3. APLICACIÓN INDUSTRIAL
Corresponde al bloque III de la figura 1, siendo los cilindros neumáticos los elementos
a estudiar.
Son elementos de movimiento rectilíneo alternativo que transforman la energía
contenida en el aire comprimido en energía mecánica. Disponen de un tubo cerrado dentro del
cual hay un émbolo que se desplaza, unido a un vástago que lo atraviesa. Es necesario que
dispongan de juntas para evitar fugas del aire comprimido.
Los tipos básicos de cilindros son de simple efecto y de doble efecto.

Cilindro de simple efecto
Realiza el trabajo en un solo sentido, es decir, la presión del aire hace que se desplace el
émbolo o pistón, volviendo a su posición original gracias a un muelle. Puede trabajar a
compresión (muelle en la cámara anterior) o a tracción (muelle en la cámara posterior).
Tiene una carrera limitada (100 mm), suelen ser de pequeño diámetro y poseen bajo
consumo de aire.

Cilindro de doble efecto
Realiza el trabajo en ambos sentidos. En este caso, el émbolo delimita ambas cámaras
independientes.
El avance y retroceso del pistón (y, por tanto, del vástago) se produce por la presión que
ejerce el aire en cualquiera de las dos caras del pistón. Para que el pistón pueda moverse es
necesario que entre aire en una de las cámaras y por la otra salga aire a la atmósfera.
Las ventajas frente a los de simple efecto son:
-
Posibilidad de realizar trabajo en los dos sentidos.
No se pierde fuerza para comprimir el muelle.
Por contra, consume el doble de aire comprimido.
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EJEMPLO DE APLICACIÓN 1
EJEMPLO DE APLICACIÓN 2
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