Neumática Conceptos de neumática. Nombre de la institución: Conalep Pachuca 1 Nombre del alumno: Magdiel Jafet Martínez Solís Docente: Sabino Keb Queb Materia: MTTO. De sistemas neumáticos Carrera: Electromecánica industrial Grupo: 504 Introducción Historia de la neumática El término Neumática procede del griego pneuma que significa soplo o aliento. Las primeras aplicaciones de neumática se remontan al año 2.500 a.C. mediante la utilización de muelles de soplado. El primer compresor mecánico, el fuelle manual, fue inventado hacia la mitad del tercer milenio a.c. y el fuelle de pie no se empleó hasta 1.500 años a.C. Esto ocurrió cuando la fundición de la aleación de Cobre y Estaño (Bronce) se convirtió en un proceso estable de producción, como quedó registrado en algunas tumbas egipcias El primero del que sabemos con seguridad que se ocupó de la neumática y su estudio, es decir, de la utilización del aire comprimido como elemento para realizar trabajo, fue el matemático e inventor griego Ktesibios (285 A.C.– 222 A.C.), que escribió los primeros tratados acerca de este tema y es considerado el padre de la Neumática. Hace más de dos mil años, construyó una catapulta de aire comprimido, basada en un cañón neumático que, rearmado manualmente comprimía aire en los cilindros. Al efectuar el disparo, la expansión restituía la energía almacenada, aumentando de esta forma el alcance del mismo. Todos los grandes historiadores hablan de él pero, lamentablemente, todos sus trabajos se han perdido. Uno de los primeros libros acerca del empleo del aire comprimido como energía procede del siglo I de nuestra era, y describe mecanismos accionados por medio de aire caliente. Posteriormente, pasada la Edad Media, fue utilizada en la construcción de órganos musicales, en la minería y en siderurgia. A partir de entonces el aire se usó de muy variadas maneras, en algunos casos, tal como se presenta en la naturaleza, en movimiento, el viento (energía Eólica) fue transformado en energía mecánica mediante los molinos de viento, permitiendo diversas acciones, como mover moliendas. Por otra parte, quizás la navegación a vela fue la más antigua forma de aprovechamiento de este tipo de energía. 1688 se crean las máquinas de émbolos (papín) 1762 cilindro soplante Aunque los rasgos básicos de la neumática están entre los más antiguo conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta finales del siglo XVIII y durante todo el siglo XIX cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. Hasta el siglo XVII, la utilización del aire a presión como energía, se realiza en algunas máquinas y mecanismos, como la catapulta de aire comprimido del griego KTESIBIOS, o la descripción en el siglo I de diversos mecanismos que son accionados por aire caliente. A partir del siglo XVII, se comienza el estudio sistemático de los gases, y con ello, comienza el desarrollo tecnológico de las diferentes aplicaciones del aire comprimido. Los fuelles de pié fueron usados hasta el año 1.762, en el que empezaron a ser reemplazados por el cilindro suplante de John Smeaton, accionado por la rueda de un molino. Al aumentar la capacidad de los hornos de fundición, los fuelles convencionales se quedaban cortos, y el cilindro de Smeaton, aunque tosco, resultaba efectivo. Cuando John Wilkinson inventó una taladradora para hacer cañones y torneados interiores de precisión, se hizo posible la fabricación de máquinas suplantes y de vapor. La primera máquina suplante de la historia salió de manos del mismo Wilkinson e instalada en su factoría de Wilby, en Shropsire, en 1.776. Este fue el primer prototipo de todos los compresores mecánicos. Funcionaba a una presión en torno a 1 bar, y elevaba la temperatura hasta el máximo permitido por las articulaciones mecánicas de cuero utilizadas para controlar las válvulas de madera Las primeras invenciones, que trabajan a base de aire caliente, fueron diseñadas con preferencia para objetivos de culto o para la guerra. La enciclopedia técnica editada en 1774 por Diderot, contiene la vista en sección de un fusil neumático junto con otros aparatos neumáticos. Hace aproximadamente 100 años se inventaron varios dispositivos neumáticos como el correo neumático, el freno de aire comprimido, el martillo de remachar, el perforador de percusión y otras herramientas neumáticas. Además de un tranvía de accionamiento neumático, hubo varios sistemas neumáticos para los ferrocarriles. Algunos de estos inventos siguen aún en uso en una ejecución mejorada y el de otros desapareció a causa de dificultades técnicas o de otro tipo. En el siglo XVIII se construye el primer compresor alternativo, en el XIX, se utiliza como fuente energética para perforadoras de percusión, sistemas de correos, frenos de trenes, ascensores, etc. En el siglo XIX se comenzó a utilizar el aire comprimido en la industria de forma sistemática. Herramientas neumáticas, martillos neumáticos, tubos de correo neumáticos, son un ejemplo de estas aplicaciones. Se puede citar como ejemplo la vista en sección de un fusil neumático junto con otros aparatos neumáticos en la Enciclopedia Técnica editada por Diderot en 1774. Hace aproximadamente 100 años se inventaron varios dispositivos, como por ejemplo, el correo neumático, el freno de aire comprimido, el perforador de percusión, el martillo de remachar y otros tipos de herramientas neumáticas. También podemos nombrar los accionamientos neumáticos tanto en los antiguos tranvías como en los ferrocarriles. Algunos de esos inventos siguen hoy en vigencia con sus consiguientes mejoras en su ejecución, otros desaparecieron debido a dificultades técnicas o de otro tipo. A finales del siglo XIX, se deja de desarrollar debido a la competencia de otros tipos de energía (máquinas de vapor, motores y electricidad). A finales de la Segunda Guerra Mundial, reaparece de nuevo la utilización a gran escala del aire comprimido como fuente de energía, debido, sobre todo, a las nuevas exigencias de automatización y racionalización del trabajo en las industrias. Estando hoy en día ampliamente implantado en todo tipo de industrias. En este mismo siglo Se empieza a usar en la industria (Herramientas neumáticas, tubos de correo neumáticos, locomotoras, otros sistemas auxiliares. La neumática industrial y sus aplicaciones Hablar de neumática es referirnos a la tecnología que utiliza el aire comprimido para transmitir la energía necesaria para activar mecanismos. El aire es un elemento elástico y por tanto, al aplicarle una fuerza, se comprime, mantiene esta compresión y devolverá la energía acumulada cuando se le permita expandirse. La neumática ha supuesto una gran aportación a los procesos industriales, si bien es cierto que se trata de una de las formas de energía más antiguas. Fue en el siglo XVII cuando el conocimiento y las aplicaciones del uso del aire comprimido tomaron consistencia científica, y desde ese momento la neumática ha seguido evolucionando. Con este sistema se incrementa la presión del aire y es a través de la energía acumulada sobre los elementos del circuito neumático como se activan los mecanismos. Cada circuito neumático está formado por elementos cuya función es la de crear, distribuir y controlar aire comprimido para efectuar un trabajo útil por medio de los cilindros. NEUMATICA INDUSTRIAL. APLICACIONES. Por sus características, la neumática industrial tiene múltiples aplicaciones, desde la carpintería metálica hasta la industria química, pasando por la industria mecánica o metalúrgica, la industria textil, el transporte o las centrales nucleares. Esta tecnología es muy útil para, por ejemplo, levantar o mover grandes pesos. Hoy, el aprovechamiento del aire comprimido para realizar trabajos es una técnica que ha contribuido a mejorar y optimizar los procesos industriales, y sus aplicaciones están muy presentes en nuestro día a día. Un ejemplo, es el control de apertura y cierre de puertas en vehículos como autobuses o trenes. Aquí, a través de la compresión del aire, se acciona un cilindro que, mediante la energía del aire a una presión determinada mediante un movimiento lineal, permite el desplazamiento de un resorte mecánico que se estira cerrando la puerta, y se abre al recuperar su posición inicial. También los sopletes y las aspiradoras utilizan la presión del aire para expulsar o contraer el aire con fuerza, y la neumática industrial permite elevar y bajar cargas en los montacargas. Aquí, el funcionamiento se activa a través de un cilindro de doble efecto, permitiendo el movimiento en dos direcciones y manteniendo la carga elevada durante un tiempo determinado mediante un enclavamiento. Propiedades del aire comprimido El aire comprimido es un componente esencial en el sector industrial, para accionar maquinaria o como actuador de válvulas, por ejemplo. Los caudalímetros de aire comprimido también se han convertido en elementos imprescindibles para las instalaciones industriales para comprobar el funcionamiento correcto de este aspecto. Estos son algunos de los usos del aire comprimido en el sector industrial. Plantas de productos alimenticios y bebidas: el aire comprimido debe estar exento de aceite para llevar a cabo un control exhaustivo de válvulas y actuadores en las plantas de envasado y llenado de estos productos. El aire comprimido es el encargado de evitar que se contaminen por algún fallo en los procesos de producción. A la hora de transportar productos como la leche o el cacao por los tubos de la planta industrial, el aire comprimido ejerce de protector, también en la fermentación del vino, la cerveza o el yogur. Industria textil: se utiliza el aire comprimido para poner en marcha determinadas herramientas neumáticas y para la limpiar peines y agujas, algo imprescindible para que funcionen adecuadamente los telares. La innovación tecnológica ha conseguido que el chorro de aire se utilice para tejer a gran velocidad y con un nivel de eficacia increíble. Talleres de carpintería metálica y madera: se usa el aire comprimido en las grapadoras, prensas y remachadoras neumáticas, que son capaces de taladrar metales mediante pistones neumáticos. Fábricas de muebles: las pistolas de aire comprimido consiguen unos acabados excelentes en el ensamblado y la tinción de muebles, algo que contrasta con los métodos tradicionales de lacado y pintura que cada vez se utilizan menos. Talleres de chapa y pintura y mecánicos: si se dispone de un buen compresor de aire, las reparaciones se efectúan con mayor rapidez y precisión. Además, con la pistola aerográfica se pueden pintar materiales pulverizables de forma controlada tras mezclarse por conductos independientes. En los talleres mecánicos, el aire comprimido se utiliza como elemento habitual en herramientas neumáticas como atornilladores y taladradores neumáticos, clavadoras, remachadoras, etc. Industria del calzado: se usa el aire comprimido para mantener la presión en la instalación de fabricación del calzado vulcanizado. En la parte final del proceso se utilizan pistolas de aire comprimido para pintar y barnizar los zapatos y obtener resultados excelentes. Estos son solo varios ejemplos de la utilización del aire comprimido en instalaciones industriales, por supuesto, existen muchos más y, como hemos dicho al principio, el uso de caudalímetros y sistemas de medición para aire comprimido resulta un complemente esencial para el funcionamiento óptimo de las instalaciones. CS Instruments dispone de una amplia gama de caudalímetros para aire comprimido, gases y fluidos acondicionados para uso interno y externo como los modelos VA 550 y VA570, de inserción o con secciones integradas. También disponemos de estaciones registradoras de datos como la DS 500, tanto en versión fija como móvil, que permite controlar los gastos de las instalaciones mediante el análisis de los datos recogidos. Nuestros expertos pueden diseñar para tu empresa un plan de ahorro energético que se adapte a las necesidades y supere la nueva normativa ISO 50001. Consúltenos. Diagramas del aire comprimido: Ejemplo: Un metro cúbico de oxígeno que se encuentra a 1 atmósfera de presión se almacena en un cilindro de hierro a 6,5 atmósferas. ¿Cuál será el nuevo volumen? Desarrollo Datos: P1 = 1 atmósfera. V1 = 1 m³ V1 = 1.000 l P2 = 6,5 atmósferas Fórmulas: P1·V1/T1 = P2·V2/T2 Solución Para el caso: P1·V1 = P2·V2 V2 = P1·V1/P2 V2 = 1 atmósferas·1.000 l/6,5 atmósferas Resultado, el nuevo volumen del oxígeno es: V2 = 153,8 l Temperatura La temperatura nos permite conocer el nivel de energía térmica con que cuenta un cuerpo. Las partículas que poseen los cuerpos se mueven a una determinada velocidad, por lo que cada una cuenta con una determinada energía cinética. El valor medio de dicha energía cinética <Ec> está directamente relacionado con la temperatura del cuerpo. Así, a mayor energía cinética media de las partículas, mayor temperatura y a menor energía cinética media, menor temperatura. La temperatura es una magnitud escalar que mide la cantidad de energía térmica que tiene un cuerpo. En el caso de los gases su valor es proporcional a la energía cinética media de las moléculas, según la expresión: T=k⋅<Ec> Dónde: Temperatura T: Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Kelvín ( K ) Constante universal k: Se trata de una constante igual para todos los gases. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Kelvín partido Julio ( K/J ) Energía cinética promedio de las moléculas del gas <Ec>: Se trata del valor medio de energía cinética de las moléculas del gas. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio ( J ) Observa que, a diferencia de lo que ocurre con otras magnitudes como la velocidad o la aceleración, la temperatura no es una magnitud de tipo mecánico, sino estadístico. La distribución de velocidades de las partículas de un gas (y por tanto, la distribución de la energía cinética de cada partícula) , se rige por la ley de distribución de Maxwell. En la siguiente imagen puedes tener una idea cualitativa de qué efecto produce un aumento de temperatura en las moléculas de un gas. Para una misma sustancia cuanto mayor es la temperatura, mayor es la velocidad de las partículas que la componen. De igual forma, en cada gráfica puedes comprobar como cuanto mayor es la temperatura, mayor es el rango de velocidades que pueden alcanzar debido a la distribución de Maxwell. Por ejemplo, en la primera gráfica se puede observar como la mayor parte de las partículas poseen velocidades bajas (sus valores se concentran cercanos al origen de coordenadas) y a medida que sube la temperatura, la concentración de la velocidad de las partículas se va distendiendo. Por otro lado, cuando ponemos en contacto dos cuerpos, se produce un intercambio de energía térmica: la temperatura fluye desde el que tiene más temperatura hasta el que tiene menos. Si dejamos pasar el tiempo suficiente, ambas temperaturas se igualan. Así, cuando tocamos un cuerpo que está a menor temperatura que nosotros, tenemos una sensación térmica de frío y si está a mayor temperatura, de calor. La razón es, precisamente, dicho intercambio de energía térmica entre nuestro dedo y el cuerpo en cuestión. ¿Cómo medimos la temperatura? La temperatura es una magnitud estadística, por lo que no podemos medirla directamente. Para medirla hacemos uso de diversas magnitudes que varían con ella, como por ejemplo la altura de una columna de mercurio, la resistencia eléctrica o el volumen y la presión de un gas. A estas magnitudes, se las denomina magnitudes termométricas. Escalas de temperatura La temperatura se mide indirectamente a través de las magnitudes termométricas. Como vamos a ver, usaremos los valores de estas magnitudes en ciertos estados fijos para calibrar los termómetros, estableciendo, así, una escala. Ejemplos de estos estados fijos son la congelación o la ebullición del agua. Existen tres grandes escalas para medir la temperatura: 1. Celsius 2. Farenheit 3. Kelvin Veamos el proceso en cada escala concreta. Escala centígrada o Celsius 1. Se asigna el valor 0 del termómetro al punto normal de congelación del agua 2. Se asigna el valor 100 del termómetro al punto normal de ebullición del agua 3. Dicho intervalo se divide en 100 partes iguales. Cada una de ellas se denomina grado Celsius ( ºC ) Escala Fahrenheit 1. Se asigna el valor 32 del termómetro al punto normal de congelación del agua 2. Se asigna el valor 212 del termómetro al punto normal de ebullición del agua 3. Dicho intervalo se divide en 180 partes iguales. Cada una de ellas se denomina grado Fahrenheit ( ºF ) Escala Kelvin, absoluta o Kelvin Es la escala usada en el Sistema Internacional de Unidades. Para definir la escala absoluta vamos a definir primeramente el cero absoluto de temperatura y el punto triple del agua. Cero absolutos de temperatura Es el estado de mínima temperatura que puede tener un cuerpo. En él, el movimiento de los átomos y moléculas que componen el cuerpo sería nulo. Es una temperatura teórica que no puede alcanzarse en la práctica. Punto triple del agua El punto triple del agua es aquella pareja temperatura-presión en la que coexiste el agua en estado sólido, líquido y gaseoso. Concretamente la temperatura sería 0.01 ºC y la presión 611.73 Pa. Proceso 1. Se asigna el valor 0 del termómetro a la temperatura más baja que puede existir, el cero absoluto 2. Se asigna el valor 273.16 al punto triple del agua 3. Se hace coincidir el tamaño de los grados Kelvin con los Grados Celsius El Kelvin es la unidad de temperatura usada en el Sistema Internacional de Unidades. Dado que asignamos el 0 K al cero absoluto, en la escala Kelvin no existen temperaturas negativas. Dado que el tamaño de los grados es el mismo en la escala Kelvin y Celsius, un incremento de temperatura en grados Kelvin coincide con el incremento de grados centígrados. Conversión de escalas Teniendo en cuenta que tC, tF y T es la temperatura expresada en grados centígrados, Fahrenheit y Kelvin respectivamente, usaremos las siguientes expresiones para convertir entre escalas. Conversión entre Celsius y Fahrenheit tC−0100=tF−32180⇒tC5=tF−329 Conversión entre Celsius y Kelvin T=tC+273.15 El cero absoluto corresponde con -273.15 º C Conversión entre Farenheit y Kelvin T−273.155=tF−329 El cero absoluto corresponde con -459.67 º F Ejemplo: Si observamos un incremento de temperatura en un termómetro de 24 ºF, ¿a cuántos grados kelvin corresponde dicho incremento?¿y a cuántos centígrados? Solución Datos ∆tF = 24 ºF Consideraciones previas Los grados de las escalas Fahrenheit y Kelvin tienen un tamaño distinto Los grados de las escalas Kelvin y Celsius tienen igual tamaño Resolución Para convertir una temperatura concreta entre grados Fahrenheit y Kelvin usamos la expresión: T−273.155=tF−329 La expresión anterior es válida para convertir temperaturas concretas entre escalas pero no para intervalos. Sabiendo que ΔtF=tF2−tF1 , nos queda: ΔtF=tF2−tF1=9⋅T2−273.155+32−9⋅T1−273.155−32=95(T2−T1)⇒⇒ΔtF=95(ΔT) Aplicando la expresión anterior, nos queda: ΔT=59(ΔtF)=5924=13.3 K Por otro lado, el tamaño de los grados kelvin y los grados centígrados es el mismo, por lo que, al tratarse de una variación, podemos escribir: ΔtC=59(ΔtF)=5924=13.3 ºC Presión La presión es una magnitud que mide el efecto deformador o capacidad de penetración de una fuerza y se define como la fuerza ejercida por unidad de superficie. Se expresa como: P=FS Su unidad de medida en el S.I. es el N/m2, que se conoce como Pascal (Pa). Un pascal es la presión que ejerce una fuerza de un newton sobre una superficie de un metro cuadrado. Por tanto, cuanto mayor sea la superficie del objeto que intentamos clavar en la barra de pan, más fuerza necesitaremos para conseguirlo. Unidades de Presión Como hemos comentado anteriormente la unidad de medida en el S.I. es el Pascal, sin embargo es común encontrar la presión expresadas en otras unidades. kp/cm2 (Kilopondio por centímetro cuadrado). Muy utilizada en la Industria. 1 kp/cm2 = 98000 Pa. atm (atmósfera). Para medir la presión atmosférica. 1 atm = 101325 Pa. En ocasiones se redondea a 101300 Pa. bar. Muy utilizada en meteorología. 1 bar = 100000 Pa. mmHg (milímetro de mercurio). 760 mmHg = 1 atm = 101325 Pa. Ejemplo: a) ¿Que presión ejerce sobre el suelo un vehículo de 1000 kg, sabiendo que cada una de sus cuatro ruedas se apoya sobre una superficie de 50 cm2? b) Una bailarina de 60 kg, se apoya sobre la punta de uno de sus piés. Sabiendo que la supercie de la punta es de 8 cm2, ¿Qué presión ejerce sobre el suelo? c) ¿Cuál de los dos, el coche o la bailarina, ejerce más presión? Solución Cuestión a) Datos m = 1000 kg S1rueda= 50 cm2 = 50 · 10-4 m2 S4ruedas = 4 · S1rueda = 200 · 10-4 m2 g = 9.8 m/s2 Resolución Para calcular la presión que ejerce el coche, debemos utilizar la siguiente expresión: P=FS De esta ecuación, nos falta conocer la fuerza que ejerce el coche sobre el suelo, o lo que es lo mismo, su peso (Fp). Teniendo en cuenta que Fp=m·g: P=m⋅gS Sustituyendo los valores que nos han proporcionado en la ecuación, obtenemos que: P=1000 kg⋅9.8 m/s2200 ⋅ 10−4m⇒P=490000 Pa Cuestión b) Datos m = 60 kg S1pie= 8 cm2 = 8 · 10-4 m2 g=9.8 m/s2 Resolución Para calcular la presión que ejerce la bailarina, utilizaremos la expresión de la cuestión anterior: P=m⋅gS⇒P=60 kg⋅9.8 m/s28 ⋅ 10−4m⇒P=735000 Pa Cuestión c) Aunque parezca increíble, una bailarina de tan solo 60 Kg ejerce más presión sobre el suelo con una pierna que un coche de 1000 kg. Volumen ¿Qué es el volumen? Se entiende por volumen a una magnitud métrica, euclideana y de tipo escalar, que se puede definir como la extensión de un objeto en sus tres dimensiones, es decir, tomando en cuenta su longitud, ancho y altura. Todos los cuerpos físicos ocupan un espacio que varía según sus proporciones, y la medida de dicho espacio es el volumen. Para calcular el volumen de un objeto bastará con multiplicar su longitud por su ancho y por su altura, o en el caso de sólidos geométricos, aplicar determinadas fórmulas a partir del área y la altura u otras variables parecidas. Por ejemplo: Volumen de un paralelepípedo. v = l x b x h, donde l es longitud, b es ancho y h es altura. Volumen de un cubo. v = a3, donde a es el lado del cubo, o a x a x a. Volumen de una esfera. v = 4/3 x π x r3, donde r es el radio. Volumen de un cilindro. v = π x r2 x h, donde h es la altura del cilindro y π x r2 es la superficie de la base circular. Volumen de un cono. v = (π x r2 x h) / 3, donde r es el radio de la base. Volumen de una pirámide. v = 1/3 x a x h, donde a es el área de la base. Por otro lado, dependiendo del estado de agregación de la materia y también de su temperatura, el volumen puede tomar diversas formas. Así, un cuerpo sólido posee un volumen fijo y determinado, mientras que los fluidos (líquidos y gases) no tienen un volumen fijo: se adaptan al espacio que los contenga. Debido a variaciones de temperatura, el volumen de los sólidos, gases y líquidos puede cambiar, en general se pueden expandir o contraer. Ver además: Presión ¿Cómo se mide el volumen? En un ámbito culinario el volumen puede medirse en taza, cucharada y cucharadita. La unidad establecida en el Sistema Internacional (SI) para medir el volumen es el metro cúbico (m3), aunque para medir la capacidad (equivalente al volumen pero en presencia de fluidos) se emplean los litros. Esta distinción se debe a razones históricas, pero son medidas equivalentes: un litro (L) equivale a un decímetro cúbico (dm3). Esto quiere decir que puede hablarse también de kilómetros cúbicos o milímetros cúbicos, según sea la necesidad. En el sistema anglosajón de medidas, el volumen se medirá empleando pies, pulgadas o yardas cúbicas, o para líquidos el barril, el galón y la pinta. En un ámbito culinario, se utiliza como medida del volumen a la taza, la cucharada o la cucharadita, que son menos precisos pero mucho más prácticos. Para medir el volumen de un fluido en un laboratorio se emplean vasos precipitados o probetas. Para medir el volumen de un sólido se lo debe sumergir en una probeta con agua (cuyo volumen conozcamos) e introducir el sólido, para medir el aumento en el volumen conjunto. Luego se restará al volumen final el inicial y se tendrá el volumen del sólido añadido. Ejemplos de volumen Un ejemplo de volumen lo constituyen las medidas que se emplean en un laboratorio. Para ejemplificar lo que el volumen, puede acudirse a la capacidad de diversos recipientes. Por ejemplo, un vaso, una taza y una botella tienen distintas capacidades que representan el volumen del espacio en sus formas. Otro ejemplo son las medidas de distintos materiales que se emplean en un laboratorio químico para llevar a cabo un experimento: los centímetros cúbicos de un sólido, los litros de un gas o de otros fluidos. Densidad En estado sólido las partículas están más juntas entre sí que en estado líquido o gaseoso. La densidad es una magnitud escalar que se define como la cantidad de masa de un objeto dividida por el volumen que ocupa. Se la representa usualmente con la letra griega rho (ρ) y se la expresa matemáticamente como ρ = m / V. La unidad de medición de la densidad según el Sistema Internacional es el kilogramo sobre metro cúbico (kg/m3). Masa La masa se mide en kilogramos (kg). La masa es una magnitud que expresa la cantidad de materia presente en un cuerpo, medida por su inercia (o sea, su resistencia a adquirir una aceleración frente a la acción de una fuerza). Es una propiedad intrínseca de la materia, que se mide de acuerdo al Sistema Internacional (SI) en kilogramos (kg) y se expresa mediante la variable m. Esta medida no debe confundirse con la cantidad de sustancia, que se calcula químicamente en moles (mol); ni tampoco con el peso, que es una magnitud vectorial que representa la intensidad con que la fuerza de gravedad actúa sobre un cuerpo masivo, medida según el Sistema Internacional en Newtons (N). Ejemplos de volumen Volumen de un cuerpo sólido Está dada por el tamaño del elemento, es decir, su anchura, altura y longitud se expresan matemáticamente. Sus unidades de medida pueden ser el decímetro cúbico, el metro cúbico o el centímetro cúbico. Ejemplo: El volumen de una maleta es de 70 cm³. Volumen de un cuerpo líquido Está representado por el espacio que un cuerpo puede ocupar, su unidad de medida es mL. Ejemplo: Una botella grande puede llenarse con 1000 mL de agua. Volumen de un cuerpo irregular Un sujeto irregular con dimensiones desfiguradas puede ser calculado por la cantidad de cambio. Por ejemplo: en un contenedor, se añade una cierta cantidad de agua dependiendo del líquido que contenga el contenedor, se deja un espacio para que cuando se añade el objeto, el agua pueda subir. El volumen total alcanzado después de colocarlo, será el total de su volumen físico. Flujo El flujo es la tercera grandeza mas medida en los procesos industriales. Las aplicaciones son muchas, desde las más sencillas, como la medición de flujo de agua en estaciones de tratamiento y residencias, hasta medición de gases industriales y combustibles, pasando por mediciones más complejas. Elegir correctamente un determinado dispositivo para medición de flujo depende de diversos factores. Entre ellos, se destacan: exactitud necesaria a la medición tipo de fluido: líquido o gas, limpio o sucio, número de etapas, conductividad eléctrica, transparencia, etc. condiciones termodinámicas: niveles de presión y temperatura exigidas del medidor espacio físico disponible costo, etc. Presión Temperatura Flujo Nivel Conductividad 60% pH48% Oxígeno Densidad 34% Otros 10% Variable de Proceso Fuente: revista Control Engineering 2002. Investigación sobre utilización futura de transmisores en el control de procesos. Los valores totales son mayores que 100% debido a las múltiplas respuestas. Figura 1 – Variables de Proceso La medición de flujo de fluidos siempre estuvo presente en nuestro día a día. Por ejemplo, el hidrómetro de una residencia, el medidor de una bomba de combustible de vehículos, etc. Grandes nombres marcaran la Historia con sus contribuciones. En 1502, Leonardo da Vince observó que la cantidad de agua por unidad de tiempo que fluía en un río era la misma en cualquier parte, independiente de ancho, profundidad, inclinación y otros. Pero el desarrollo de dispositivos prácticos solo ha sido posible con el advenimiento de la era industrial y la labor de cientistas como Bernoulli, Pitot y los demás. Inicialmente veamos algunos conceptos para mejor entender la medición de flujo. Como podemos definir flujo Flujo puede definirse como la cantidad volumétrica o másica de un fluido que escurre a través de una sección de pipería o canal por unidad de tiempo. Flujo Volumétrico– Se define como la cantidad volumétrica que fluye a través de determinada sección en un cierto intervalo de tiempo. Las unidades volumétricos más comunes son: m3/s, m3/h, l/h, l/min, GPM (galones por minuto), Nm3/h (normal metro cúbico por hora), SCFH (normal pié cúbico por hora), entre otras. , donde: V = volumen, t = tiempo, Q = flujo volumétrico. Flujo másico– Es la cantidad en masa de un fluido que fluye a través de cierta sección en un cierto intervalo de tiempo. Las unidades másicas más consideradas son: kg/s, kg/h, t/h, lb/h , donde: m = masa, t = tiempo, Qm = flujo másico Ecuaciones para Cálculo de Flujo Las ecuaciones para cálculo de flujo pueden obtenerse genéricamente para los tres tipos de medidores presentados. Se aplica la Ecuación de Conservación de la Masa y también la Ecuación de Conservación de la Energía, siendo esta última presentada en su forma simplificada, que es la Ecuación de Bernoulli. Así es, para el desagüe a través de una reducción de área, considerándola ideal y tomando un línea de corriente entre los puntos 1 y 2, según la figura 5. Figura 5 – Desagüe con estrangulación La ecuación de Bernoulli aplicada al desagüe ideal, entre los puntos 1 y 2 de la figura, resulta en la siguiente ecuación: donde el primer término representa la energía cinética, el segundo la energía de presión, proveniente del desagüe, mientras el tercer término representa la energía potencial. Idénticas parcelas existen para el punto 2 en el lado derecho. Esta igualdad significa que la suma de las tres parcelas es una constante a lo largo de una línea de corriente, sin pérdidas por atrito. Para el desagüe en posición horizontal, no hay variación de energía potencial, siendo z1 = z2. Usando la ecuación de conservación de la masa entre las secciones 1 y 2, para el desagüe incompresible, se tiene: Siendo A el área de la sección transversal y β la razón entre los diámetros del medidor y de la tubería, β = D2/D1 (o d/D, según la notación), se puede aislar una de las velocidades en la ecuación (1) y obtener la siguiente ecuación: Entonces es posible obtenerse el flujo multiplicándose esta velocidad por la respectiva área, como en la ecuación (4). El flujo, en este caso, es un flujo ideal, pués se obtuvo a través de la ecuación de Bernoulli, para el desagüe ideal. Tomando el caso mas extremo, en que el punto 2 se sitúa sobre la vena contracta, puédese definir un coeficiente de contracción de la vena principal, que es la razón entre el área de la vena contracta A2 y el área de paso del medidor, Am. Así: El flujo real puede obtenerse multiplicándose el mismo por un coeficiente de corrección Cv. Este coeficiente incluye las correcciones relativas a la pérdida de energía entre los puntos 1 y 2, entre los cuales está el diferencial de presión. Parte de este diferencial es decurrente de la aceleración del desagüe y parte proviene de la pérdida de carga. Esta última actúa siempre en el sentido de aumentar el diferencial, motivo por el cual el valor de Cv es siempre inferior a la unidad. Así, teniéndose en cuenta estas correcciones y el área del medidor Am, la ecuación del flujo es dada por: El coeficiente Cc es distinto de la unidad solo en la placa de orificio, cuando los enchufes de presión no son las de canto (corner taps). En este tipo de enchufe tiene la vena contracta, pero la presión está siendo leída junto a la placa, de manera que el área A2 puede considerarse como área del orificio Am. En función de la dificultad de se determinar todos los coeficientes de la ecuación (6), es preferible ignorar el propio Cc e introducir los coeficientes C y K, para que esta ecuación asuma las siguientes formas: Ejemplo: Figura 10 - medio de vacío usando tubo de Pitot Figura 11 - Medición de flujo usando placa de orificio Caudal Uno de los parámetros más importantes en la mecánica de fluidos es, lógicamente, el caudal. Se puede definir el caudal como la cantidad de fluido que circula a través de una sección por unidad de tiempo. Esta definición es válida para cualquier tipo de fluido, si bien el fluido utilizado en el ámbito de la ventilación es el aire. CÓMO CALCULAR EL CAUDAL Si no disponemos de normativa: Al tratarse de un término genérico, la fórmula para calcular cualquier caudal de cualquier fluido siempre es la misma: Q=vxS Dónde v es la velocidad de paso del fluido a través de una sección S. En unidades del Sistema Internacional (SI), tenemos que la velocidad se debe expresar en m/s, mientras que la sección se especificaría en m2. Por tanto, el caudal Q quedaría expresado en m3/s. En el sector de la ventilación es más habitual ofrecer el caudal en m3/h (exceptuando casos de ventilación industrial, dónde se requieren grandes caudales), por lo que tan sólo se deberá multiplicar el resultado de la fórmula anterior por 3600, obteniendo así el caudal Q expresado en m3/h. Por tanto, para poder calcular el caudal necesario, deberemos conocer a priori la velocidad de paso del aire y la sección por donde éste circulará. Si bien es fácil conocer la sección, puesto a que es un parámetro de fácil medición, la velocidad del aire es más difícil de determinar. En consecuencia, se suelen prestablecer diferentes rangos de velocidad teniendo en cuenta la aplicación para la que el sistema de ventilación está siendo diseñado. Es importante conocer que la velocidad del aire es un parámetro fundamental que afecta directamente al ruido que se produce al circular el fluido por una sección cerrada. Por tanto, en lugares donde el nivel acústico es importante, la velocidad de paso del aire debería estar limitada a un rango de entre 4-6 m/s, como suele ocurrir en viviendas (4 m/s, marcado por CTE), oficinas u hospitales, mientras que en ambientes industriales se puede aumentar esta velocidad hasta 10 m/s. Finalmente, en aplicaciones en las que se requiere arrastre de partículas u otros procesos industriales, se pueden llegar a alcanzar velocidades mayores a 25 m/s. Desgraciadamente, en muchas ocasiones no disponemos de una sección concreta, sino que el proyecto es totalmente nuevo y se debe determinar un caudal concreto para dicha aplicación. Para estos casos, la experiencia y unas tablas nos sirven de guía para poder determinar el caudal, sin tener en cuenta la velocidad de paso ni la sección, que podrán ser calculadas a posteriori. El parámetro utilizado en estos casos son las renovaciones por hora, es decir, el caudal necesario para renovar la totalidad del aire de un habitáculo cerrado por aire totalmente nuevo y limpio del exterior. La tabla de renovaciones/hora que se sigue habitualmente es la de renovación del aire en locales cerrados: Renovación del aire en locales habitados Renovaciones/hora N Catedrales 0,5 Iglesias modernas (techos bajos) 1–2 Talleres de mecanizado 5 – 10 Fábricas en general 5 – 10 Lavanderías 20 – 30 Fundiciones (sin extracciones localizadas) 20 – 30 Tintorerías 20 – 30 Obradores de panaderías 25 – 35 Naves industriales con hornos y baños (sin campanas) 30 – 60 Talleres de pintura (mejor instalar campana) 40 – 60 Finalmente, para calcular el caudal en estos casos, será tan fácil como multiplicar por el número de renovaciones/hora establecido para cada aplicación por el volumen total de la dependencia a ventilar. Siguiendo la normativa específica: Dependiendo del tipo de aplicación, se prestablecerá un caudal según la normativa de la misma. Por ejemplo, si se está diseñando la instalación de ventilación de una vivienda, se deberá aplicar el CTE, documento en el que se especifica en caudal de ventilación para cada dependencia de la vivienda, así como la velocidad de paso de aire máximo permitido para evitar ruidos incómodos. En el mismo CTE se especifican los caudales de ventilación para parkings y trasteros. Otra normativa habitual en instalaciones de ventilación es el RITE, dónde encontramos los caudales de diseño de sistemas de ventilación de edificios distintos a viviendas, como podrían ser oficinas, escuelas, hoteles o museos. Ejemplo: ¿Qué mide el caudal volumétrico?. A partir de su expresión general, deduzca su expresión para el caso de un líquido que circula por una tubería de sección A con velocidad v. ¿En qué unidades se mide el caudal volumétrico en el sistema internacional? (0.5 puntos) Solución: El caudal volumétrico Q, mide el volumen de líquido que circula por una tubería por unidad de tiempo; su expresión matemática será por lo tanto Q=∆V/∆t. Para el caso de un líquido que circula por una tubería de sección A con velocidad v ∆V=∆L×A=(v×∆t)×A ⇒ Q=vA En el sistema internacional el caudal se mide en m3 /s. Densidad Toda la materia posee masa y volumen, sin embargo la masa de sustancias diferentes ocupan distintos volúmenes. Por ejemplo: notamos que el hierro o el hormigón son pesados, mientras que la misma cantidad de goma de borrar o plástico son ligeras. La propiedad que nos permite medir la ligereza o pesadez de una sustancia recibe el nombre de densidad. Cuanto mayor sea la densidad de un cuerpo, más pesado nos parecerá. La densidad se define como el cuociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. Así, como en el Sistema Internacional , la masa se mide en kilogramos (kg) y el volumen en metros cúbicos (m3) la densidad se medirá en kilogramos por metro cúbico (kg/m3). La mayoría de las sustancias tienen densidades similares a las del agua por lo que, de usar esta unidad, se estarían usando siempre números muy grandes. Para evitarlo, se suele emplear otra unidad de medida el gramo por centímetro cúbico (gr/cm3). La densidad de un cuerpo está relacionada con su flotabilidad, una sustancia flotará sobre otra si su densidad es menor. Por eso la madera flota sobre el agua y el plomo se hunde en ella, porque el plomo posee mayor densidad que el agua mientras que la densidad de la madera es menor, pero ambas sustancias se hundirán en la gasolina, de densidad más baja. La densidad del agua es 1 gr./cm3, esto quiere decir que 1 litro de agua equivale igualmente a un 1 kilogramo de agua. Ejemplos: Ejercicio 1 Un pedazo de metal del platino con una densidad de 21,5 g/cm3 tiene un volumen de 4,49 cm3. ¿Cuál es su masa? Utilizando la Formula de densidad. Se despeja m y se remplazan los valores. La masa es 96,5 gramos. Ejercicio 2 Calcule la densidad del mercurio si 1,00 x 102 gramos ocupan un volumen de 7,36 cm3. Utilizando la Formula de densidad. Se remplazan los valores de masa y volumen en la fórmula para obtener la densidad. La densidad es 13,6 g/cm3 Ejercicio 3 Calcule el volumen de 65,0 g del líquido metanol (alcohol de madera) si su densidad es de 0,791 g/mL. Utilizando la Formula de densidad. Se despeja v y se remplazan los valores. El volumen es 82,2 ml. Humedad del aire ¿Qué es la humedad del aire? Es la cantidad de vapor de agua que contiene el aire. Es muy necesaria para evaluar la comodidad térmica de un ser vivo. Además, resulta útil pues sirve para evaluar la capacidad que tiene el aire para evaporar la humedad de la piel; y por si fuera poco, gracias a la humedad las plantas pueden desarrollarse sin problemas. El vapor de agua tiene una densidad menor que el aire, de modo que el aire húmedo, es decir, el que es una mezcla de aire y vapor de agua, es menos denso que el aire seco. Estas sustancias al calentarse pierden densidad y se elevan hacia la atmósfera, donde la temperatura disminuye unos 0,6ºC cada 100 metros, por lo que dependiendo de la temperatura que haya, ese aire tendrá más o menos vapor de agua. Así, si llegan a zonas frías se forman las nubes, ya sea de gotas de agua o de cristales de hielo, las cuales una vez se unen pesan tanto que son atraídas hacia el suelo por la fuerza de la gravedad de la Tierra, de modo que caen en forma de lluvia o de nieve. La humedad se expresa de forma absoluta mediante la humedad absoluta, de forma específica o bien de forma relativa mediante la humedad relativa. Absoluta Es la cantidad de vapor de agua que se encuentra por unidad de volumen de aire de un ambiente. El vapor de agua suele ser medido en gramo y el volumen de aire en metros cúbicos. Al medirla, se puede saber qué cantidad de vapor contiene el aire. Se expresa en g/m3. Específica Es la cantidad de humedad en peso que se requiere para saturar un kilógramo de aire seco, o, lo que es lo mismo: los gramos de vapor agua que contiene 1kg de aire seco. Se expresa en g/kg. Relativa Es la relación entre la cantidad de vapor de agua real y la que necesitaría contener para saturarse a idéntica temperatura. Se expresa en porcentajes. ¿Cómo se mide El medidor de humedad es el higrómetro, un instrumento que se usa en meteorología para medir el grado de humedad del aire en la atmósfera. Los resultados se expresan en porcentajes, y hay de dos tipos: Analógicos: destacan por ser altamente precisos, ya que detectan los cambios de humedad en el ambiente casi de manera inmediata. Pero de vez en cuando hay que calibrarlos, por lo que no suelen venderse mucho. Digitales: los digitales también son precisos, aunque algo menos. No necesitan ningún tipo de mantenimiento, y además están listos para su uso justo después de comprarlo. Ejemplo: Humedad Relativa La cantidad de vapor de agua contenida en el aire, en cualquier momento determinado, normalmente es menor que el necesario para saturar el aire. La humedad relativa es el porcentaje de la humedad de saturación, que se calcula normalmente en relación con la densidad de vapor de saturación. La unidad mas común de densidad de vapor es el gm/m3. Por ejemplo, si la densidad de vapor actual es de 10 g/m3 a 20°C comparada con la densidad de vapor de saturación a esa temperatura de 17,3 g/m3 , entonces la humedad relativa es UNIDADES DE MANTENIMIENTO Las unidades de mantenimiento FRL de aire AZ PENUMATICA – CHELIC representan una combinación de los siguientes componentes, los cuales cumplen una función particular dentro del sistema: Filtro de aire comprimido, Regulador de presión y Lubricador de aire comprimido. FUNCIONAMIENTO – Filtro de aire: Tiene la función de extraer del aire comprimido todas las impurezas (Partículas de metal, suciedad, etc) y el agua condensada. Las maquinas actuales que funcionan con aire requieren de una aire de excelente calidad, de lo contrario las impurezas presentes podrían causar daños a las partes internas, consecuencia de esto, cada vez cobra mas importancia el conseguir un mayor grado de pureza en el aire comprimido. – Regulador de presión: Su principal función es la de mantener la presión de trabajo en un valor adecuado para el componente que lo requiere y ademas dicho valor debe ser constante, independientemente de las variaciones que sufra la presión de red y del consumo de aire. La presión de trabajo es ajustable por medio de un tornillo. – Lubricador de aire: Este componente tiene la misión de lubricar los elementos neumáticos en un grado adecuado, con el objetivo de prevenir el desgaste prematuro de las piezas móviles, reducir el rozamiento y proteger los elementos contra la corrosión. Regulan y controlan la mezcla de aire-aceite en el fluido. UNIDAD DE MANTENIMIENTO CARACTERÍSTICAS GENERALES Los compresores aspiran aire húmedo y sus filtros de aspiración no pueden modificar esto, ni eliminar totalmente las partículas contenidas en el aire atmosférico del lugar donde esté situado el propio compresor. La durabilidad y seguridad de funcionamiento de una Instalación neumática dependen en buena forma del acondicionamiento del aire: La suciedad del aire comprimido (óxidos, polvo, demás), las partículas líquidas contenidas en el aire, causan un gran deterioro en las instalaciones neumáticas y en todos sus componentes, provocando desgastes exagerados y prematuros en superficies deslizantes, ejes, vástagos, juntas, etc., reduciendo la duración de los distintos elementos de la instalación. Las conexiones y desconexiones del compresor o compresores, generan oscilaciones en la presión, que impiden un funcionamiento estable de la instalación, de los actuadores, etc. Para evitar este tipo de problemas, se recomienda emplear las UNIDADES DE MANTENIMIENTO NEUMÁTICO (Fig. 1 y 2) las cuales son una combinación de los elementos que se describen a continuación: Filtro de aire comprimido Regulador de presión Lubricador de aire comprimido Pero para esto se debe tener en cuenta los siguientes puntos: El caudal total de aire en m3/h es decisivo para la elección del tamaño de unidad. Si el caudal es demasiado grande, se produce en las unidades una caída de presión demasiado grande. Por eso, es imprescindible respetar los valores indicados por el fabricante. La presión de trabajo no debe sobrepasar el valor estipulado en la unidad. La temperatura no deberá ser tampoco superior a 50 ºC (valores máximos para recipiente de plástico). (Figura.1) Simbología de la unidad de mantenimiento (Figura.2) Conservación de las unidades de mantenimiento Es necesario efectuar, en intervalos regulares, los trabajos siguientes de conservación: FILTRO: Debe examinarse periódicamente el nivel de agua condensada, porque no debe sobrepasar la altura indicada en la mirilla de control. De lo contrario, el agua podría ser arrastrada hasta la tubería por el aire comprimido. Para purgar el agua condensada hay que abrir el tornillo existente en la mirilla. Asimismo debe limpiarse el cartucho filtrante. REGULADOR: Cuando está precedido de un filtro, no requiere ningún mantenimiento. LUBRICADOR: Verificar el nivel de aceite en la mirilla y, si es necesario, suplirlo hasta el nivel permitido. Los filtros de plástico y los recipientes de los lubricadores no deben limpiarse con tricloroetileno. Para los lubricadores, utilizar únicamente aceites minerales. La unidad de mantenimiento debe elegirse cuidadosamente según el consumo de la instalación. Si no se pospone un depósito, hay que considerar el consumo máximo por unidad de tiempo. Simbología y esquemas Conclusión Mi conclusión es que identificamos componentes básicos de la neumática como de control e instrumentos de medición. Además aprendimos la importancia de emplear la simbología de la neumática para la elaboración de diagramas y además el proceso de etapas de generación, preparación y distribución de aire comprimido, en donde se debe de seguir una secuencia lógica. Por otro lado la materia es demasiado interesante. neumática ventajas -El aire se puede obtener facilmente y es abundante en la tierra. - No es explosivo, por lo tanto no hay riesgo de chispas. - Los elementos del circuito neumatico pueden trabajar a velocidades bastante altas y sep ueden regular bastante facilmente. - El trabajo con aire no daña los componentes del circuito por ejemplo por golpe de ariete. - Los cambios de temperaturas no afectan de forma significativa en el trabajo. - Energía limpia. - Se pueden hacer cambios de sentido de forma instantánea. Desventajas - Si el circuito es muy largo se producen pérdidas de carga considerables. - Para poder recuperar el aire previamente utilizado se necesitan instalaciones especiales. - Las presiones a las que se trabaja habitualmente no permiten obtener grandes fuerzas y cargas. - Bastante ruido al descargar el aire utilizado a la atmósfera Bibliografia https://www.suministrostorras.com/canal-actualidad/la-neumatica-industrial-y-susaplicaciones-103.html#:~:text=Hablar%20de%20neumática%20es%20referirnos,energía%20ne cesaria%20para%20activar%20mecanismos.&text=Cada%20circuito%20neumátic o%20está%20formado,por%20medio%20de%20los%20cilindros. https://www.fisicalab.com/buscar/que%20es%20volumen%20y%20como%20calcul arlo?page=1 https://concepto.de/volumen/#ixzz6YSZcYJyS http://www.dorking.com.ar/informacion_tecnica/Diagrama_Instalacion_compresor.p df https://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn201.html https://www.smar.com/espanol/articulos-tecnicos/medicion-deflujo#:~:text=Flujo%20puede%20definirse%20como%20la,un%20cierto%20interval o%20de%20tiempo. https://www.solerpalau.com/es-es/blog/formulacaudal/#:~:text=Uno%20de%20los%20parámetros%20más,sección%20por%20uni dad%20de%20tiempo. http://blog.educastur.es/tecnologiaslmcr/tecnologia-industrial-i/circuitosneumaticos/historia-de-laneumatica/#:~:text=Las%20primeras%20aplicaciones%20de%20neumática,utiliza ción%20de%20muelles%20de%20soplado.&text=Hace%20más%20de%20dos%2 0mil,comprimía%20aire%20en%20los%20cilindros. https://www.cursosaula21.com/que-es-la-neumatica-industrial/ https://www.tplaboratorioquimico.com/quimica-general/las-propiedades-de-lamateria/densidad.html https://www.meteorologiaenred.com/humedad.html http://wikifab.dimf.etsii.upm.es/wikifab/index.php/UNIDAD_DE_MANTENIMIENTO por Hidraulica y Neumatica S.A. | publicado en: COMPONENTES NEUMÁTICOS, NUESTROS PRODUCTOS, Tratamiento del Aire |
