M.Sc. Carlos Arturo Pacheco Arenas “Celebra tus propias victorias, por que nadie más entiende, lo que te costó alcanzarlas” M.Sc. Carlos Pacheco Pautas de trabajo: Entrar al Zoom con su cuenta UTP. (Puntualidad) Participar en clase usando el micrófono. En CANVAS encontrarán la clase de hoy, el *.PDF de la sesión, la tarea y el foro de consultas. M.Sc. Carlo Pacheco Logro del aprendizaje Al finalizar el estudiante, comprende el uso del aire comprimido en neumática así como sus componentes básicos M.Sc. Carlos Pacheco Utilidad del tema ¿Dónde lo podrías aplicar? M.Sc. Carlos Pacheco Temario de la sesión: ✓ Desarrollo de sistemas neumáticos ✓ Conceptos básicos de la neumática: Fundamentos físicos. ✓ Componentes ✓ Preguntas y Conclusiones M.Sc. Carlos Pacheco DEFINICIÓN DE LA NEUMÁTICA La neumática es la tecnologia que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energia necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. El aire es un material elastico y por tanto, al aplicarle una fuerza, se comprime, mantiene esta compresión y devolvera la energia acumulada cuando se le permita expandirse, según la ley de los gases ideales. La palabra neumatica proviene del griego “Pneuma”, que significa respiración, viento y, filosóficamente, alma. M.Sc. Carlos Pacheco PRINCIPIOS FÍSICOS DELAIRE El aire esta compuesto por una mezcla de diferentes elementos quimico Nitrógeno – 78.09% Oxigeno – 20.95% Argón – 0.93% Otros – 0.03% El aire, por ser un gas, es compresible. Permite que se pueda reducir el volumen haciendo que aumente la presión. Es facil de transportar, aunque a distancias largas se pueden presentar caidas de presión considerables y afectar las aplicaciones finales. M.Sc. Carlos Pacheco PRINCIPIOS FÍSICOS DELAIRE El aire se puede considerar como un gas ideal, por lo que sus propiedades pueden calcularse con la ecuación de los gases ideales. Ecuación de los gases ideales: PV = mRT donde: P: presión absoluta V: volumen total m: masa R: constante particular del gas. R = 8.314472 J K-1 mol-1 T: temperatura absoluta M.Sc. Carlos Pacheco Ley de Boyle -Mariotte El volumen es inversamente proporcional a la presión: •Si la presión aumenta, el volumen disminuye. •Si la presión disminuye, el volumen aumenta. P1 · V1 = P2 · V2; M.Sc. Carlos Pacheco T = cte Leyes de Charles- Gay Lussac El presión del gas es directamente proporcional a su temperatura: •Si aumentamos la temperatura, aumenta la presión. •Si disminuimos la temperatura, disminuye la presión. P1 / T1 = P2 / T2; M.Sc. Carlos Pacheco V = cte PROPIEDADES DEL AIRE ATMOSFÉRICO Expansión: Aumento de volumen de una masa de aire al verse reducida la presión ejercida por una fuerza o debido a la incorporación de calor. Contracción: Reducción de volumen del aire al verse presionado por una fuerza, pero este llega a un limite y el aire tiende a expandirse después de ese limite. Fluidez: Es el flujo de aire de un lugar de mayor a menor concentración sin gasto de energia M.Sc. Carlos Pacheco PROPIEDADES DEL AIRE ATMOSFÉRICO Presión atmosférica: Fuerza que ejerce el aire a todos los cuerpos. Representa el peso de una columna de aire de area de sección recta unitaria que se extiende desde ese punto hasta el limite superior de la atmósfera. Exactamente 101 325 Pa Volumen: Es el espacio que ocupa el aire. Masa Densidad: Es de 1,18 kg/m³ (a 25 °C) Viscosidad: Es de 0,018 cP (a 20 °C) M.Sc. Carlos Pacheco AIRE COMPRIMIDO Ventajas Económico: Se puede conseguir como fluido de trabajo simplemente tomandolo de la atmósfera, lo que no implica costos Seguro: hay pocos riesgos de accidentes, porque no posee propiedades explosivas Abundante: se encuentra en grandes cantidades en la tierra No contamina: el aire después de ser utilizado se devuelve al ambiente sin representar contaminación al medio M.Sc. Carlos Pacheco AIRE COMPRIMIDO Rápida respuesta: los actuadores pueden trabajar a altas velocidades No requiere líneas de retorno: a diferencia de otros medios como los hidraulicos, éste no requiere volver al generador, sino que se devuelve al ambiente sin inconvenientes Fácil montaje y mantenimiento: La instalación es sencilla, rapida y limpia Fácil transporte M.Sc. Carlos Pacheco AIRE COMPRIMIDO Desventajas Humedad: el aire, al salir del compresor, puede tener una alta temperatura, lo que hace que al recorrer la linea de distribución se presente enfriamiento y se produzca condensación. El contenido de humedad en los ductos puede afectar los dispositivos de trabajo (actuadores, valvulas, etc) Ruido: La operación de los elementos neumaticos ocasiona gran cantidad de ruido lo que obliga al uso de silenciadores en los escapes de las valvulas, incrementando costos. Esto no elimina el ruido, pero lo disminuye. El compresor también genera una gran cantidad de ruido y generalmente se instala en un lugal apartado. M.Sc. Carlos Pacheco AIRE COMPRIMIDO Limitación de fuerza: cuando se trabaja con aire comprimido no se logran fuerzas grandes, lo que obliga a usar otras alternativas cuando se requiere. La fuerza maxima promedio es de 30000N aproximadamente. Difícil detección de fugas: las fugas normalmente se detectan por el sonido que producen, pero en una industria con gran presencia de ruido esto se dificulta. Las fugas generan caidas de presión y disminución en el caudal, obligando al compresor a trabajar mas tiemp incrementando el consumo de energia y costos. Costosa producción: El compresor consume mucha energia, por lo que la generación de aire comprimido puede ser muy costosa. M.Sc. Carlos Pacheco PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO PRESIÓN. Es la fuerza ejercida sobre un area determinada y esta dada por al expresión P= F/A. En la practica, hay varios tipos de presión: Atmosférica: Presión que ejerce la atmósfera dependiendo de la altura sobre el nivel del mar. • Absoluta: Presión real en un punto determinado • Manométrica: Presión medida de un fluido contenido en un sistema Pman = Pabs – Patm Las unidades para medir presión pueden ser: Pascales (Pa = N/m2), libras por pulgada cuadrada (psi = lbf/pulg2), kilogramos por centimetro cuadrado (kgf/cm2), Bar • M.Sc. Carlos Pacheco PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO CAUDAL Cantidad de fluido que atraviesa una sección dada, por unidad de tiempo Q = volumen / tiempo = velocidad x área Unidades empleadas en el caudal: Pies cúbicos por minuto (CFM), pies cúbicos por segundo (m3/s), galones por minuto (gal/min), litros por hora (l/h) M.Sc. Carlos Pacheco APLICACIONES DE LA NEUMÁTICA Todo tipo de industria tiene una instalación de aire comprimido y las aplicaciones de la neumatica son muy variadas, desde la apertura y cierra en transporte de servicio público, hasta automatizaciones de varios procesos industriales. M.Sc. Carlos Pacheco APLICACIONES DE LA NEUMÁTICA?? M.Sc. Carlos Pacheco Sistema neumático Básico PRODUCCIÓN Y TRATAMIENTO DE AIRE 1. COMPRESOR. 2. MOTOR ELÉCTRICO. 3. PRESOSTATO. 4. VÁLVULA ANTIRETORNO. 5. DEPÓSITO. 6. MANÓMETRO. 7. PURGA AUTOMÁTICA. 8. VÁLVULA DE SEGURIDAD. 9. SECADOR DE AIRE REFRIGERADO. 10. FILTRO DE LÍNEA. M.Sc. Carlos Pacheco CIRCUITO DE UTILIZACIÓN 1. TOMA DE AIRE. 2. PURGA AUTOMÁTICA. 3. UNIDAD DE ACONDICIONAMIENTO DEL AIRE 4. VÁLVULA DIRECCIONAL. 5. ACTUADOR. 6. CONTROLADORES DE VELOCIDAD. COMPRESORES La generación de aire comprimido se hace usando un compresor aumentando la presión del aire atmosférico aspirado hacia la presión de trabajo. Existen compresores de diferentes caracteristicas de acuerdo a su funcionamiento, ademas de los requerimientos de caudal y presión. M.Sc. Carlos Pacheco CLASIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES Existen dos grupos basicos de compresores: Desplazamiento positivo: La compresión se obtiene mediante la reducción de volumen del gas dentro del dispositivo. Entre estos estan; pistones, paletas, lóbulos, tornillos Dinámicos: En estos dispositivos el aire es aspirado por un lado y comprimido mediante la aceleración de la masa o el cambio de la energia cinética (como el funcionamiento de las turbinas). Aqui se encuentran los compresores axiales y los centrifugos. M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO En estos compresores el gas o aire se confina en un recipiente, y el volumen que ocupa se reduce mecanicamente, causando un incremento de la presión a la descarga M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESOR DE PISTONES La presión del aire la realiza un pistón o varios que actúan dentro de una camisa. El dispositivo cilindro-émbolo tiene una valvula de admisión y una de escape, de manera que cuando el pistón llega al punto muerto inferior se abre la valvula de admisión e ingresa aire tomado del ambiente exterior, luego se cierra la valvula y el pistón avanza hasta el punto muerto superior reduciendo el volumen del aire, lo que hace que aumente la presión; en este momento se abre la valvula de escape y el aire sale a la red de distribución. Este tipo de compresor es usado para baja, media y alta presión, lo que lo convierte en uno de los mas utilizados en la industria. Se pueden lograr presiones maximas de 60 psig para una etapa y de 220 psig para dos etapas. M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESOR DE PISTONES M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESOR DE PISTONES Algunos inconvenientes de este compresor son: El aire sale a alta temperatura del compresor lo que aumenta el nivel de humedad en la linea de distribución. Si al compresor no se le da mantenimiento periódicamente, puede presentar desgaste en los anillos que van en el pistón, lo que permite el paso de aceite (sucio) a las aplicaciones. Esto es de gran preocupación en industrias limpias como alimentos, farmacéuticas o semiconductores. Produce gran cantidad de ruido. M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESOR DE MEMBRANA O DIAFRAGMA Su principio es igual al del compresor de pistones, La compresión la realiza un diagrama que esta unido a un pistón. El fluido no tiene contacto con el pistón, lo que garantiza que no exista contaminación, por que no hay paso de aceite a la aplicación. Este compresor es recomendado en aplicaciones que requieren aire muy limpio y con caudales pequeños. M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESOR DE MEMBRANAO DIAFRAGMA M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESOR DE TORNILLO Dos tornillos helicoidales que encajan entre si van comprimiendo el aire en movimiento de rotación y translación, logrando que el volumen se disminuya y aumente la presión. Este tipo de compresor entrega presiones y caudales altos. Su gran ventaja frente al de pistones es que tiene refrigeración interna y adicionalmente no hay paso de aceite a la linea. Este tipo de compresor es relativamente silencioso. Este compresor es usado especialmente en donde se requiere de aire limpio con bajo contenido de humedad, su gran desventaja es el costo. Los caudales que entrega estan entre 3 y 8 m3/min, las presiones estan entre 100 y 200 psig, que son los rangos en los cuales se necesitan las mayores aplicaciones neumatica. M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESOR DE TORNILLO https://www.youtube.com/watch?v=xhD6eScR_Ew M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESOR DE PALETAS Este compresor tiene un rotor excéntrico con paletas oscilantes. La compresión se obtienen por reducción de volumen de las camaras de aire formadas por dos paletas adyacentes que sellan contra la carcasa. Entrega presiones maximas de 60 psig para el de una etapa y de 120 psig para el dos etapas. Este compresor es menos ruidoso que el de pistones y entrega su caudal mas uniforme. M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESOR DE PALETAS M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESOR DE LÓBULOS La compresión se logra al reducir el volumen por el movimiento de rotación de un par de lóbulos en direcciones opuestas. Alcanzan presiones muy bajas, por lo que su uso es muy restringido en aplicaciones neumaticas. M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESORES DINÁMICOS Los compresores de tipo dinamico imprimen en el aire o gran una energia de velocidad mediante la rotación a alta velocidad de los impulsores de la maquina. Parte de esta energia se convierte en presión. M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESOR CENTRÍFUGO O RADIAL Similar a una turbina, el aire aumenta su presión de acuerdo con los cambios de velocidad producidos por la fuerza centrifuga y constan de un rotor centrifugo que gira dentro de una camara espiral, tomando aire en sentido axial y arrojandolo a gran velocidad en sentido radial. Entregan bajas presiones y grandes caudales. Algunos de los inconvenientes es que producen mucho ruido y suelen ser demasiado robustos, ocupando gran espacio. Su limitación en presión los hace poco atractivos. M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESOR CENTRÍFUGO O RADIAL M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESOR AXIAL El aire en un compresor axial fluye en la dirección de su eje a través de una serie de alabes móviles acoplados al eje por medio de un disco y una serie de alabes fijos acoplados a la carcasa del compresor y concéntricos al eje de rotación. Cada conjunto de alabes móviles y alabes fijos forman una etapa del compresor. Entregan gran caudal, pero a bajas presiones. Pocas veces es usado en neumatica industrial. M.Sc. Carlos Pacheco COMPRESOR AXIAL M.Sc. Carlos Pacheco FACTORES DE SELECCIÓN DE COMPRESORES Presión: se presión Caudal: Se suman los caudales de aplicaciones y se tien en cuenta el caudal total tiene en cuenta la palicación con mayor todas las Demanda: se deben preveer las necesidades futuras Medio ambiente: ubicación, temperatura, limpieza del aire Refrigeración: Tratamiento: Instalación: Costo: M.Sc. Carlos Pacheco tipo de enfriamiento evitar alta presencia de condensados Conducto principal en línea abierta Red de distribución de aire M.Sc. Carlos Pacheco Conducto principal en anillo Red de distribución de aire M.Sc. Carlos Pacheco Componentes de un circuito neumático M.Sc. Carlos Pacheco Unidad de mantenimiento M.Sc. Carlos Pacheco Filtro Estándar M.Sc. Carlos Pacheco Purgador Automático M.Sc. Carlos Pacheco Regulador Estándar M.Sc. Carlos Pacheco Fuerza que ejerce el vástago Cilindro de simple efecto Fuerza teórica Cilindro de doble efecto Fuerza efectiva en el avance Fuerza efectiva en el avance Fuerza efectiva en el retroceso P = Presión, N/m2. E = Empuje del muelle, N. D = Diámetro del émbolo, mm2. D = Diámetro del vástago, mm2. η = Rendimiento del cilindro. M.Sc. Carlos Pacheco EJERCICIOS Si la presión relativa en un sistema de vacío es de -0.3 bar ¿ Cuál es la presión absoluta ? M.Sc. Carlos Pacheco Tenemos dos cilindros neumáticos, uno de diámetro 3 cm y otro de radio 2 cm, que trabajan a la misma presión de 6 Kg/cm2 ¿ Cuál ejercerá más fuerza y cuanta ? M.Sc. Carlos Pacheco • La neumática es de bastante uso en la automatización • Existen tipos de presiones ¿CUÁL ES TU CONCLUSIÓN FINAL? M.Sc. Carlos Pacheco • Para la próxima la clase veremos válvulas, normas, mandos y cálculos • Revisar continuamente la plataforma CANVAS para ver las diapositivas, tareas y foros. M.Sc. Carlos Pacheco Nos vemos la siguiente clase M.Sc. Carlos Pacheco