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S01.s01 - Material

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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:
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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
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