Neumática e Hidráulica

Neumática e Hidráulica
N. T10.- Introducción a la Neumática
Las trasparencias son el material de apoyo del profesor
para impartir la clase. No son apuntes de la asignatura.
Al alumno le pueden servir como guía para recopilar
información (libros, …) y elaborar sus propios apuntes
Departamento:
Area:
Ingeniería Eléctrica y Energética
Máquinas y Motores Térmicos
CARLOS J RENEDO [email protected]
Despachos: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28
http://personales.unican.es/renedoc/index.htm
Tlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Neumática: técnica que utiliza el aire comprimido (p > patm) para trasmitir energía
si (p < patm técnicas de vacío)
Frente a la energía eléctrica:
Ventajas
– Regulación de velocidad sencilla
(estrangulación)
– Fácil almacenamiento de energía
– Elementos de funcionamiento sencillo
– Sistema seguro, las fugas no son peligrosas,
sin peligro de incendio o explosiones
– Fácil bloqueo de los actuadores
Inconvenientes:
– Mayor coste de la energía
€ E Neu = 10 € E Elec
Velocidad de transmisión reducida
(< 10 m/s)
– Distancias de transporte limitadas
(< 1 km)
Frente a la hidráulica:
Ventajas
– Mayor velocidad de transmisión
(10 m/s frente a 3 m/s)
– No necesita tuberías de retorno
– Fugas limpias
– Mayor distancia de transporte
(1 km frente a 100 m)
– Menos sensible a los cambios de Tª
– Componentes más baratos
Inconvenientes:
– Presión de trabajo limitada
(12 bars frente a )
– Mayor coste de la energía
€ E Neu = 2,5 € E Hid
– Permiten mayores fuerzas
(F Neu < 30.000 N ; F Hid ↑↑ )
– Ruido en los escapes
2
– La compresibilidad del aire puede acarrear
movimientos inversos
T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Magnitudes, unidades, equivalencias y Leyes de comportamiento
Ecuación fundamental de la Hidrostática
PA -PB = ρ.g.(hA-hB) = γ.(hA-hB)
Fuerza: (masa . aceleración)
Newton, 1 N = 1 kg.m/s2
1 kgf = 1 kp = 9,8 N
Peso específico: (peso / vol = densidad.g)
N / m3 = (k / m3).(m/s2) = (kg.m/s)/ m3
Presión : (fuerza / superficie)
Pascal, 1 Pa = 1 N/m2
En los gases perfectos:
P.V = n.R.T
Si T = cte: ⇒ P.V = cte (P es Pabs)
Si P = cte: ⇒ T / V = cte (T en K)
Si V = cte: ⇒ P / T = cte
(P es Pabs, T en K)
1 bar = 100.000 Pa
Pabs = Patm + Pman
Proceso rápido (adiabático, sin Q)
P.Vγ= cte
(γaire = 1,4)
Trabajo: (fuerza . desplazamiento)
Julio, 1 J = 1 N.m
Potencia: (trabajo / tiempo)
Vatio, 1 W = 1 J / s
[m 3 / s]
Caudal:
Peso de un flujo: W = γ Q [Nw / s]
1 CV = 736 W
Masa de un flujo: M = ρ Q
[kg / s]
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Ec de la continuidad de un flujo
M1 = M 2
ρ1 Q1 = ρ 2 Q 2
ρ1( A 1V1 ) = ρ 2 ( A 2 V2 )
[× g]
γ 1A 1V1 = γ 2 A 2 V2
Si el fluido es incompresible (en tubería corta), y γ1 = γ2
Q1 = Q 2
A 1V1 = A 2 V2
La energía total de un fluido es:
E = Epot + Ec + Epres = w z +
1 w V 2 p w [J]
+
2 g
γ
[siendo w el peso]
Se puede expresar, ( /w), en unidades de altura, y es la altura de carga H
H=z+
V2 p
+ [m]
2g γ
z cota o cabeza de elevación
[V2/2g] altura de velocidad o cab. de vel.
[p/γ] altura de presión o cab. de presión
2
2




 z 1 + V1 + p1  + Haña − H ext − Hper =  z 2 + V2 + p 2  [m]


γ 
γ 
2g
2g


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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
La potencia de un flujo es:
[Nw / m
Pot = γ Q H
3
m 3 / seg
m = Nw m / seg = J / seg = W
]
Viscosidad:
resistencia a fluir, a la velocidad de deformación
(entre las capas del fluido)
• V. Dinámica, µ [ Pa s]:
• V. Cinemática, ν [m2/s]:
τ=µ
ν=
dV
dy
Agua
10-3 Pa s
Aire
1,8 10-5 Pa s
µg
µ
µ
=
=
ρ γ/g
γ
• Líquidos µ ↓ al  Tª
• Gas µ  al  Tª
Agua
1,1 10-6 m2/ s
Aire
1,51 10-5 m2/ s
• Poisse: 1.000 cPoise = 1 Pa s
• Stoke: 10.000 Stokes = 1m2/s
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
AIRE
Densidad, ρ
Peso
específico, γ
Visco.cinem., ν
Visco.
dinámica, µ
ºC
kg / m3
Nw/m3
(m2/s)
(Nw s / m2)
0
1,29
12,7
13,3 10-6
1,725 10-5
20
1,2
11,8
15,1 10-6
1,81 10-5
50
1,09
10,7
17,9 10-6
1,95 10-5
80
1
9,8
20,9 10-6
2,09 10-5
100
0,95
9,28
23 10-6
2,3 10-5
AGUA
Densidad,
ρ
Peso
específico, γ
Visco.
dinámica, µ
Tensión
superficial
Presión
vapor
Mod elas.
E
ºC
kg / m3
kNw/m3
(Nw s / m2)
(Nw / m)
kPa
GPa
0
1000
9,81
1,75 10-3
0,0756
0,611
2,02
20
998
9,79
1,02 10-3
0,0728
2,34
2,18
50
988
9,69
5,41 10-4
0,0679
12,3
2,29
80
971
9,53
3,5 10-4
0,0626
47,4
2,2
9,4
10-4
0,0589
101,3
2,07
100
958
2,82
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (I)
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (II)
Multiplicador de fuerza (I)
Incremento de
fuerza producido
F2 = F1
p=
F
A
Primera
aproximación
p1 = p 2
Sin diferencia
de cotas
F1
F
= 2
A1 A 2
A2
A1
A 2 = A1
F2
F1
Area requerida
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (III)
Multiplicador de fuerza (II)
• Coche de 1.500 kgf
• A1 de 5 x 5 cm
• A2 de 5.000 x 2.000 cm
F1 = F2
A1
A2
(
F1 = 1.500 kg f 9,8 m / s 2
2
) 102510cmcm
6
2
= 0,037 N = 0,0037 kg f
Muy sensible
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (IV)
Multiplicador de fuerza (III)
• Coche de 1.500 kgf
• A1 de 5 x 5 cm
• F1 de 10 kgf
A 2 = A1
F2
F1
A 2 = 25 cm 2
(1.500 kg 9,8 m / s ) = 3.750 cm
(10 kg 9,8 m / s )
2
f
2
2
≈ 61x 61 cm
f
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (V)
Multiplicador de distancia (I)
Multiplicador
de distancia
[V.d.] 1 = [V.d.] 2
S 2 = S1
A1
A2
A 2 = A1
S1
S2
Volumen desplazado1 = S1 A 1
S1 A 1 = S 2 A 2
Area requerida
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (VI)
Multiplicador de distancia (II)
• A1 de 5 x 5 cm
• A2 de 61 x 61 cm
• S2 de 0,5 m
S1 = S 2
A2
A1
S1 = 0,5 m
3.750 cm2
= 75 m
25 cm2
No práctico
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (VII)
Multiplicador de distancia (III)
• A2 de 61 x 61 cm
• S1 de 2 m
• S2 de 0,5 m
A1 = A 2
S2
S1
Compaginar: fuerzas, áreas y distancias
Posible enlazar varios sistemas
S1 = 3.750 cm2
(
0,5 m
= 937,5 cm2 ≈ 31 x 31 cm
2m
⇒ F1 = 1.500 kg f 9,8 m / s 2
,5 cm
) 937
3.721 cm
2
2
= 3.703 N = 370 kg f
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (VIII)
Multiplicador de presión (I)
p=
F
A
F1 = F2
Equilibrio
p1 A 1 = p 2 A 2
p 2 = p1
A1
A2
A 2 = A1
p1
p2
Multiplicador
de presión
Area requerida
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (IX)
Multiplicador de presión (II)
Posible problema de
sobre presiones
p 2 = p1
A1
A2
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Humedad del aire (I)
El aire atmosférico contiene humedad ambiente (Diagrama Psicrométrico)
Aire Saturado: aire que contiene toda la humedad posible, si se añade más agua esta
condensa; la cantidad de agua depende de las condiciones del aire
Humedad Absoluta (W): Cantidad de
agua contenida por m3 de aire
Humedad Relativa (HR): porcentaje
de humedad del aire sobre la
humedad máxima
Trocío: Temperatura por debajo de la
cual la humedad ambiente
empieza a condensar
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Humedad del aire (II)
Termómetros:
TBS
TBH
• Temperatura de bulbo seco, TBS (Taire)
• Temperatura de bulbo húmedo, TBH (Tagua)
(TBS – TBH)
TBS = TBH ⇒ aire saturado
Aire
TBS > TBH ⇒ aire no saturado
(TBS – TBH) en tablas HR
gasa
humedecida
Si (TBS >>> TBH) ⇒ HR baja
Si (TBS ≈ TBH) ⇒ HR alta
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Humedad del aire (III)
La cantidad de agua que es capaz de contener 1 m3 de aire es función de su temperatura, y
no de su presión.
Wmax = f (T)
Al comprimir el aire ↓V ⇒ HR ↑
Predominante
Al comprimir el aire ↑T ⇒ HR ↓
10 m3, 1 bar, 20ºC
Compresión
10 gr agua
/m3
(100 gr de agua)
supuesta
adiabática
Utilizando
Progases
1,92 m3
10 bar
288ºC
(100 gr de agua)
52 gr agua / m3
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Humedad del aire (IV)
Si a 20ºC y 10 gr/m3 se comprime hasta 288ºC y 52 gr/m3
Se enfriará a T
ambiente en
tuberías y/o
acumulador
Condensará
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Humedad del aire (V)
La utilización real del diagrama es con horizontales sobre la T ambiente
Utilizando
Progases
Condensa
Mín vol 4,545 m3
Máx comp. 3 b, 129ºC
Máx humedad 22 g/m3
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Humedad del aire (VI)
Patm, el aire con 18gr/m3 ⇒ TR= 15ºC
P = 1 bar ⇒ TR= 30ºC
P = 2 bar ⇒ TR= 40ºC
Al ↑P ⇒ ↑ TR
es más fácil que condense la humedad
El agua es perjudicial en la instalación;
hay que eliminarla
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Humedad del aire (VII)
más fácil que
condense la
humedad
aire con 1 gr/m3
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Tratamiento del aire (I)
El aire contiene impurezas (óxidos, virutas, …) y humedad, que son perjudiciales para los
dispositivos de la instalación
En la toma de aire (aspiración del compresor) hay que instalar un filtro grueso
Se pude disponer un enfriador de aire, mejora el rendimiento del compresor, y seca el aire
Si la compresión es por etapas se debe instalar una refrigeración intermedia
En la salida del compresor se instala una unidad de refrigeración, un depósito de purga
de condensados, y el depósito acumulador
Finalmente se instala una unidad de mantenimiento: filtro, regulador de presión y
lubricador
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Tratamiento del aire (II)
Filtro de aire: retienen partículas sólidas y agua
condensada (cambio de dirección,
choque, centrifugado, filtro; purga
Presión y Tª máxima admisible
Filtros secadores: material adsorbente
Regulador de presión: consigue P estable en la instalación (la P del compresor es mayor
que la de uso, el acumulador y el regulador reducen el nº de
arranques del compresor
Resortes y membranas
Manómetro
Lubricadores: disminuir el desgaste de las partes móviles
Fina niebla de aceite en el aire comprimido
(efecto Venturi)
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Tratamiento del aire (III)
Filtro de aire:
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Tratamiento del aire (IV)
Unidad de mantenimiento:
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
En la cámara del cilindro de un compresor hay 1 litro de aire (Patm). Que
presión se crearía si se redujera el volumen lentamente hasta 0,1 litros.
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
En un acumulador de 100 litros el manómetro marca 10 bar cuando la T es
de 20ºC. Que presión marcará si la T sube a 35ºC.
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
En un acumulador de 100 litros el manómetro marca 10 bar cuando la T es
de 100ºC. Que presión marcará si la T baja a 20ºC.
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Un cilindro vertical que soporta una masa de 70 kg, contiene en su cámara
un volumen de 5 litros de aire a 20ºC. Cuanto se eleva la masa si su
temperatura asciende a 50ºC. (sección del cilindro 10 cm2)
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
El émbolo de un compresor aspira 1 litro de aire atmosférico a 20ºC.
Cuando el volumen se ha reducido a 0,25 litros se abre la válvula de
impulsión y el aire va hacia un acumulador, ¿a que presión relativa es
impulsado, ¿a que T (suponer sin intercambio de calor)?, ¿qué presión
habrá después de llenar un acumulador de 50 litros si se refrigera a 25ºC?
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T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Un compresor aspira 6 m3/min de aire a 20ºC y un 60% de HR. Si el aire en
la instalación está a 6 bar y 30ºC, calcular la cantidad de agua que
condensa al cabo de 8 h de trabajo
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