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fundamentos de neumática
1 Fundamentos de Neumática
1.1. LA EVOLUCIÓN EN LA UTILIZACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO
El aire comprimido es una de las formas de la energía mas antigua que se conoce y aprovecha para reforzar sus recursos físicos. El descubrimiento del aire como medio de trabajo se remonta a muchos siglos.
De los antiguos griegos procede la expresión PNEUMA que designa a la respiración, el viento y en la filosofía también al alma. Y como derivación de la palabra anteriormente señalada se obtiene el concepto de Neumática, que trata de los movimientos y procesos mediante el uso del aire. El griego Ktesibios, hace mas de dos mil años construyó una catapulta de aire comprimido. Los primeros documentos donde se menciona el empleo del aire comprimido como energía proceden del Siglo I de nuestra era y describe mecanismos accionados por medio de aire caliente.
Aunque las aplicaciones básicas de la neumática se cuentan entre los conocimientos mas antiguos de la humanidad, no fue hasta el siglo pasado cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. A principios de 1900 se pueden encontrar aplicaciones en algunos ramos como la explotación de la minería, la industria de la construcción y en los ferrocarriles.
La generalización del uso de la neumática en la industria se hizo notoria cuando se presenta una exigencia de una automatización y una racionalización de los procesos de trabajo. En la actualidad no se concibe una moderna explotación industrial sin el aire comprimido.
En el presente curso se analizaran los conceptos físicos relacionados con el tema, se abordaran aspectos sobre la generación, distribución, preparación del aire comprimido. Se estudiaran los elementos de trabajo de distribución, de regulación y de mando en los circuitos neumáticos. Se analizará la simbología básica. Se elaboraran esquemas básicos de mando. Se resolverán ejemplos prácticos de automatización.
También se consideraran aspectos de mantenimiento preventivo y correctivo de los diferentes componentes de un sistema neumático desde la generación, distribución, preparación hasta la estación de trabajo incluyendo los elementos que componen los circuitos neumáticos.
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1.2. LA COMPOSICIÓN DEL AIRE
La atmósfera que rodea la tierra es una mezcla de gases cuya composición es:
Gases:Aire seco
NitrógenoOxígenoArgónBióxido de carbonoHidrógenoXenónKriptónOtros
78.03 %20.99 %
0.94 %0.03 %0.01 %
Humedad. Vapor de agua
Impurezas Humos de sulfurosHumos de ácidosMonóxido de carbonoPolvosCenizasMineralesVegetalesAnimalesMicroorganismos
1.3. PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO
¿Cuáles son las propiedades del aire comprimido que han contribuido a su popularidad en su utilización?
Abundante: Está disponible para su compresión prácticamente en todo el mundo y en cantidades ilimitadas.
Transporte: El aire comprimido puede ser fácilmente transportado por tuberías, incluso a grandes distancias y no es necesario disponer de tuberías para su retorno.
Almacenable: No es preciso que el compresor permanezca constantemente en uso. El aire comprimido puede almacenarse en depósitos y tomarse de éstos. Además se puede transportar en recipientes o cilindros metálicos
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Temperatura: El aire comprimido es insensible a las variaciones de temperatura, garantiza un trabajo seguro, incluso a temperaturas extremas.
Antideflagrante: No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por lo tanto, no es necesario disponer de instalaciones antideflagrantes, que son costosas.
Limpio: El aire comprimido es limpio y en caso de falta de sello en tuberías o elementos, no produce ningún ensuciamiento.
Constitución de los elementos:
La forma de cómo están hechos los elementos de trabajo es sencilla y por lo tanto de precio económico.
Velocidad: Es un medio de trabajo muy rápido y por eso permite obtener velocidades de trabajo muy elevadas. La velocidad en los cilindros neumáticos puede regularse sin escalonamientos.
A prueba de sobrecargas:
Las herramientas y elementos de trabajo neumáticos pueden utilizarse hasta su parada completa sin riesgos de sobrecargas.
Para poder delimitar el campo de utilización de la neumática es preciso conocer también las características adversas.
Preparación: El aire comprimido debe ser preparado antes de su utilización, es necesario eliminar las impurezas y la humedad para evitar el desgaste prematuro de los componentes neumáticos.
Compresible: Con aire comprimido no es posible obtener para los pistones velocidades uniformes y constantes.
Fuerza: El aire comprimido es mas económico sólo hasta cierta fuerza, condicionado por la presión de servicio usual a 7 bar, el limite también es en función de la carrera y de la velocidad, es de 20 000 a 30 000 N (2 000 a 3 000 Kg fuerza).
Escape: El escape produce ruido, no obstante este problema se ha resuelto en gran parte gracias al desarrollo de materiales insonorizantes.
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Costo: El aire comprimido es una fuente de energía relativamente cara, este elevado costo se compensa en la mayor parte por los elementos de precio económico y el buen rendimiento de los mismos.
1.4. FUNDAMENTOS FÍSICOS
Antes de iniciar el estudio de la fundamentación física de la neumática es necesario recordar brevemente algunos conceptos básicos sobre dimensiones y unidades, relacionados con la misma.
Dimensiones y unidades. Dimensión es el nombre que se da a una cualidad o característica física. Las dimensiones o cualidades pueden ser fundamentales o básicas y secundarias o derivadas.
Las dimensiones básicas o fundamentales deben de aceptarse como punto de partida para poder describir a otras cualidades o características. Ejemplos de éstas son la longitud L, la masa m, el tiempo t y la temperatura T.
Las dimensiones secundarias o derivadas usualmente se obtienen a partir de leyes o principios físicos universales, tales como el área cuya definición es el cuadrado de la longitud L2, el volumen que es el cubo de la longitud L3, la fuerza que es el producto de la masa por la aceleración, el trabajo que es el producto de la fuerza por la distancia, etc.
La realización de cálculos numéricos con ecuaciones que relacionan cantidades físicas, requieren el uso de unidades y además que las expresiones usadas sean homogéneas no sólo en dimensiones sino también en sus unidades. Se entiende por unidad una magnitud arbitraria para propósitos de medición o cálculo. A continuación se detallan ejemplos comunes de unidades para algunas dimensiones:
Dimensión Unidad Longitud: Metro, centímetro, milímetro, pie, pulgadaMasa: Kilogramo, gramo, tonelada, libraTiempo: Segundo, minuto, hora, díaTemperatura: Celsius o centígrados, Fahrenheit, Kelvin, Rankine
En la práctica se utilizan diversos sistemas de unidades que difieren básicamente en el número de dimensiones fundamentales y en las unidades adoptadas.
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El sistema internacional de unidades es un conjunto coherente que se utiliza para la medición de las propiedades físicas, en el cual, la unidad para cualquier propiedad está directamente relacionada con un número pequeño de unidades básicas a través de un coeficiente unitario. Este sistema se conoce como SI y fue promulgado en 1960 y se adoptó internacionalmente a partir de 1969 y contiene siete dimensiones y unidades fundamentales y dos dimensiones y unidades suplementarias
Dimensión Símbolo Unidad AbreviaturaLongitud L Metro mMasa m Kilogramo kgTiempo t Segundo sTemperatura termodinámica T Grado Kelvin KCorriente eléctrica I Ampere AIntensidad luminosa Candela cdCantidad de sustancia Mol molAngulo plano Radián radAngulo sólido Estereorradián sr
Dimensiones y unidades derivadas pueden obtenerse con base en las dimensiones y unidades fundamentales adoptadas.
Principios y Leyes Físicas.
La velocidad es el espacio recorrido en la unidad de tiempo.
La aceleración es la variación que experimenta la velocidad en la unidad de tiempo.
La fuerza que actúa sobre un cuerpo es igual al producto de la masa del cuerpo por la aceleración producida por la fuerza.
La presión es la cantidad de fuerza que se aplica a un objeto sobre una determinada área.
El trabajo es el producto de la intensidad de la fuerza por la distancia recorrida en su dirección.
La energía es la capacidad o aptitud que tiene un cuerpo para realizar un trabajo.
La energía cinética es la aptitud que tiene un cuerpo para realizar un trabajo en virtud de su velocidad.
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La energía potencial es la aptitud que tiene un cuerpo para realizar un trabajo en virtud de su posición en el espacio.
La potencia es el trabajo realizado por una fuerza en la unidad de tiempo.
Cálculos.
Realizar el análisis dimensional y determinar cuales son las unidades en el sistema internacional del: área, volumen, gasto, velocidad, aceleración, fuerza, presión, trabajo, potencia, energía cinética, energía potencial.
Presión. Los indicadores de presión o manómetros que se usan en los sistemas neumáticos e hidráulicos miden solamente la presión que está por arriba de la presión atmosférica que los rodea, por consiguiente un indicador de presión está desconectado tiene una lectura de cero. Si un manómetro tiene una medida de 100 lbs/plg2 o 50 Kg/cm2 a ésta habrá que añadirse la presión atmosférica correspondiente y lo que se obtiene es una presión total o absoluta.
Para un sistema en sobrepresión, la presión total o la presión absoluta es igual:
Presión Total o Absoluta = Presión Atmosférica + Presión Manométrica
Para un sistema que se encuentra en depresión o con presiones de vacío, la presión total o absoluta es igual:
Presión Total o Absoluta = Presión Atmosférica – Presión de Vacío
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PresiónManométrica
PresiónAtmosférica
PresiónAbsoluta
Zona de Depresión
Zona deSobrepresión
PresiónAbsoluta
Presión de Vacío
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Temperatura.La temperatura en un cuerpo es una magnitud proporcional a la energía media de las moléculas que la constituyen y es independiente de su masa porque sólo depende de la velocidad y la masa de cada una de las moléculas.
ESCALAS TERMOMÉTRICASEscala
Puntos fijosCentígrada o
Celsius SIFahrenheit
Sistema Ingles
Solidificación del agua Ebullición del agua
0 o
100 o32 o
212 o
La experimentación y los razonamientos teóricos han indicado que no es posible lograr temperaturas inferiores a cierta temperatura mínima que recibe el nombre del cero absoluto, a esta temperatura la energía de las moléculas de los cuerpos tienen su menor valor admisible y por lo tanto no es posible disminuirla mas. Se propuso medir las temperaturas desde el cero absoluto, con lo cual se evitan medidas negativas o bajo cero.
EL CERO ABSOLUTO EN LAS DIFERENTES ESCALAS TERMOMÉTRICAS
Punto de ebullición 100 373 212 671
Punto de solidificación 0 273 32 491
Cero absoluto - 273 0 - 459 0Celsius Kelvin Fahrenheit Rankine
El aire es compresible.El aire como todos los gases, no tiene una forma determinada sino que toma la del recipiente que lo contiene o la del medio, permite ser comprimido (compresión, disminución de volumen y aumento de presión) y tiene la tendencia a dilatarse (expansión, aumento de volumen y disminución de presión). Estos fenómenos se rigen por una serie de leyes relacionadas con el estado gaseoso de la materia.
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Ley de Boyle – Mariotte. A temperatura constante, el volumen de un gas encerrado en un recipiente es inversamente proporcional a la presión absoluta, o sea, el producto de la presión absoluta y el volumen es constante para una determinada cantidad de gas.
p1V1 = p2V2 = p3V3 = Constante
Ley de Gay – Lussac.Si la presión de un gas permanece constante y el volumen varía inversamente proporcional a la temperatura.
= = = Constante
Ecuación General del Estado Gaseoso.Para todos los gases ideales, la ecuación que se debe de cumplir es
= = Constante
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V1
T1
V2
T2
V3
T3
p1V1
T1
P2V2
T2
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Problemas
1. Si aire se encuentra con un volumen inicial de 1 m3, con una presión atmosférica se comprime con una fuerza F2 hasta alcanzar el volumen final que es la cuarta parte del volumen inicial, permaneciendo la temperatura constante. Encontrar la presión final y determinar la fuerza F2 que se ejerce si el área de compresión es de 1 m2.
2. 0.8 m3 de aire a temperatura de T1 = 20o C se calienta hasta que la temperatura T2 = 70o C. Calcular el volumen final.
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