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CAPITULO 1.- Generalidades sobre el aire

CONTENIDO Neumática; definición Propiedades físicas del aire Presión absoluta, relativa y atmosférica Unidades de presión Compresibilidad del aire Ley de Boyle-Mariotte, Charles y gay Lussac

PÁGINA

3- 15

2- Generación del aire comprimido

Funcionamiento básico de un compresor Vista interna del ciclo de succión y compresión Depósito de aire Tipos de compresores

16 – 26

3.- Distribución del aire comprimido

Sistema básico de conexión de tubería Tipos de conexiones Mangueras de conexión Racores

27 – 40

4- Tratamiento del aire comprimido

Partes del compresor Tratamiento del aire Secado por absorción y adsorción Tipos de secadores Filtraje y lubricación Reguladores de presión Simbología

5- Cilindros actuadores

6.- Válvulas neumáticas

Actuadores como elementos de trabajo Componentes de un actuador simple Tipos de actuadores Simbología Válvulas neumáticas Las posiciones Las vías Interpretación de los símbolos Uso de simulador Fluid SIM Tipos de accionamiento Simbología

41 – 66

67 – 81

82 – 106

7- Válvulas de cierre y control de caudal

Tipos de válvulas de cierre y caudal Diagramación Cierre de conexión Simbología

107 – 133

8.- Diagramación

Diagramas GRAFCET

134 - 160 2

GENERALIDADES SOBRE EL AIRE V₁ T₁

V₂ T₂

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NEUMATICA - Definición -La neumática es la tecnología que emplea el aire comprimido como medio de transmisión de la energía para hacer funcionar algún mecanismoPara que un mecanismo neumático funcione es necesario comprimir el aire a una determinada presión, aproximadamente de unos 6 bares mediante un compresor neumático y posteriormente ser almacenado en un tanque.

PROPIEDADES FISICAS DEL AIRE COMPRIMIDO: Ventajas y desventajas VENTAJAS: - Es muy abundante - Se transporta fácilmente por tuberías - Se puede almacenar en depósitos - No es inflamable - No es tóxico - Los elementos no requieren tanto mantenimiento - Tiene una velocidad de trabajo elevada.

DESVENTAJAS: - El aire tiene que ser preparado antes de utilizarse utilizando filtros para retirar impurezas y humedad. - La velocidad es muy variable. - La fuerza límite ronda los 20,000 y 30,000 Newton. - Los escapes de aire tienden a ser muy ruidosos, siendo necesario el uso de silenciadores.

El uso de aire comprimido es bastante útil cuando se refiere a eficiencia, rapidez y limpieza, sin embargo, no se pueden desarrollar grandes fuerzas. Es muy utilizado en la industria donde se utilizan mecanismos automatizados donde se requiere velocidad y precisión.

Otros usos son: - Herramientas neumáticas (taladros, roto-martillos, desarmadores etc.) - Pistolas de aire (pintura automotriz, limpieza) - Herramientas médicas (taladro dental, succionador, etc.) http://www.manualesydiagramas.blogspot.com

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PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE El aire no tiene forma ni volumen, pudiendo variar de forma y de valor, tales como la expansión y compresión, siendo este el más utilizado en la neumática. El aire que respiramos es una mezcla de diferentes gases que contiene principalmente: -Nitrógeno – 78% -Oxígeno - 21% Otros gases y contaminantes en menor cantidad: argón, hidrógeno, xenón, criptón, bióxido de carbono, vapor de agua, polvo, polen etc. Su densidad a una temperatura de: 0°C es de 1.29 kg/cm³ 50°C es de 1.09 kg/cm³ Esto significa que el aire es mas pesado cuando está frío que cuando está caliente, es por eso que se elevan los globos aerostáticos cuando se les suministra aire caliente. También, la temperatura afecta el volumen del aire, es decir, se contrae cuando está frío y se expande cuando está caliente.

En este ejemplo, el aire frio ocupa menos espacio, pero al calentarlo se expande hasta lograr ejercer una fuerza de empuje.

AIRE FRIO

AIRE CALIENTE

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PRESION ABSOLUTA, RELATIVA Y ATMOSFERICA Definición: PRESIÓN Se le llama presión a la reacción inmediata que ejerce un cuerpo sobre otro en relación de peso o fuerza. Por ejemplo, si un objeto se coloca encima de otro, este ejerce una fuerza de presión según el peso del objeto. Si ese objeto lo colocamos encima de un émbolo, este comprimirá el aire que contenga el cilindro y dentro existirá una mayor presión.

émbolo

1kg

1kg

cilindro AIRE COMPRIMIDO

AIRE SIN COMPRIMIR Esta presión se puede calcular con la siguiente fórmula: P = F (kg) S (cm²)

Presión es igual a la fuerza entre superficie

Donde: P = Presión F= fuerza S= superficie

cm²

30 cm²

Fuerza de empuje

1kg

1kg

La superficie, es el área del cilindro La fuerza, es la energía que la cual se va a comprimir, se mide empujará al pistón, se mide en en centímetros cuadrados y se Kilogramos y se representa con la representará con la letra “S”. letra “F”. http://www.manualesydiagramas.blogspot.com

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Definición: PRESIÓN ATMOSFÉRICA Es la fuerza que ejerce el aire ambiental sobre la superficie terrestre. Significa que el aire que nos rodea ejerce presión sobre nosotros porque a pesar de que el aire no se ve, tiene cierto peso y eso hace exista presión en el ambiente. Sin embargo la presión atmosférica puede variar según la altura o el clima. 1 atmosfera ejerce sobre nosotros 1.033 kg/cm² de presión Atmosfera se abrevia “atm”

PRESIÓN RELATIVA Es la presión que está por encima de la presión atmosférica. También se le llama presión de “gauge”, presión normal o presión manométrica. Por ejemplo, si un objeto se coloca encima de otro, este ejerce una fuerza de presión según el peso del objeto. Si ese objeto lo colocamos encima de un émbolo, este comprimirá el aire que contenga el cilindro y dentro existirá una mayor presión.

PRESIÓN ABSOLUTA La presión absoluta es el resultado de sumar la presión atmosférica y la presión relativa. Para obtener la presión absoluta se tienen que sumar ambas presiones, puede usar la formula:

Pab = Pa + Pm Donde:

Pab =

presión absoluta

Pa

= presión atmosférica

Pm =

presión manométrica

Por ejemplo: Si medimos la presión de un deposito con un manómetro y este nos indica 2 Bar de presión, siendo que la presión atmosférica es de 1, entonces primero tenemos que convertir los 2 Bar de presión a presión atmosférica (1 Bar = 0.986 atm, entonces; 2 Bar = 1.972 atm)

Pa =1 atm Pm =1.972 atm Pa= 2.972 atm

1 + 1.972 = 2.972 http://www.manualesydiagramas.blogspot.com

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UNIDADES DE PRESIÓN En neumática se utilizan diferentes unidades de medida de presión, dependiendo del instrumento con que se tome la medición. Por ejemplo, en neumática se utilizan mucho los Kilo-pascales (Kpa), Libras por pulgada cuadrada (PSI), atmosferas (atm), Kilogramos por centímetro cuadrado (Kg/cm²), milímetros de mercurio (mmHg), y los Bar. Cada unidad de medida tiene un valor distinto, así que en ocasiones tendremos que hacer conversiones para poder realizar bien los cálculos. Aquí abajo se muestra una tabla de equivalencias:

1 Bar

1 ATMOSFERA

1 KG/CM²

1 PSI

1 mmHg

1 Kpa

1

0.986

1.019

14.503

750.06

100

1 atmosfera

1.013

1

1.033

14.69

760.00

101.325

1 Kg/cm²

0.980

0.967

1

14.223

735.6

98,0665

1 PSI

0.06895

0.06804

0.07031

1

51.715

6.89476

1 mmHg

0.001333

0.001315

0.00136

0.01934

1

0.13332

0.01

0.00986

0.0102

0.14504

7.50063

1

1 Bar

1 Kpa

Por ejemplo, si queremos convertir 3 atmosferas de presión a PSI tendremos que multiplicar la cantidad de atmosferas por 14.69 y dará como resultado; 44.07 PSI

En la imagen se aprecia un manómetro el cual puede medir en dos distintas unidades de medida, en Kg/cm² y en PSI

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COMPRESIBILIDAD DEL AIRE Considerando un recipiente con un volumen determinado con aire a 1 atmosfera de presión. Si se aplica una fuerza a la pared móvil hasta reducir el espacio, se crea otra fuerza contraria e igual de fuerte. Si cesa la fuerza de empuje, la pared regresará a su posición original. Este fenómeno se genera debido a la compresión del aire. Ejemplo:

F₁

F₁

V₂

V₁ F₂ F₁ = fuerza inicial V₁ = volumen inicial

F₂ = fuerza contraria V₂ = volumen final

Existen distintos fenómenos que afectan directamente el volumen y la presión del aire, tales como el cambio de temperatura, la compresión y la expansión del aire entre otros. Para determinar dichos fenómenos existen tres leyes principales que utilizaremos para realizar algunos cálculos bastante útiles.

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LEY DE BOYLE MARIOTTE “A temperatura constante el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión absoluta” Esto significa que si se aplica presión a un recipiente sellado, este reducirá su volumen siempre y cuando la temperatura se estable. En el siguiente ejemplo usaremos un recipiente al que se le colocan dos pesas de 1 kg, y una temperatura ambiente estable de 10°C. Las pesas comprimirán el aire y se mantendrá estable ya que la temperatura ambiente no está variando.

F₁

Temperatura ambiente 10°C

F₂ 1kg

1kg

V₁

V₂

Para calcular la presión que se obtiene al comprimir el aire se utilizará la siguiente fórmula:

P₁ ∙ V₁ = P₂ ∙ V₂ “Presión inicial x volumen inicial es igual a presión final x volumen final”

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Utilizaremos el siguiente ejercicio para ver la forma de resolverlo utilizando la formula de Boyle-Mariotte. -A presión de 17 atm, tenemos 34L de un gas a temperatura constante, este gas experimenta un cambio y ahora ocupa un volumen de 15L. ¿Cuál será la presión que ejerce?

Datos: P₁ = 17 atm V₁= 34L P₂= ? V₂= 15L

formula: P₁ x V₂ = P₂ x V₂

P₁ x V₂ = P₂ x V₂ 17 x 34 =

? x 15

-Despejamos “P₂” P₂ x 15 = 17 x 34 P₂ = 17 x 34 = 578 = 38.53 15 15

P₂ = 38.53 atm

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LEY DE CHARLES “A presión constante, el volumen de un gas varía proporcionalmente a la temperatura absoluta” Quiere decir que al calentar un gas dentro de un recipiente , este aumentará su volumen, y que al enfriarse su volumen disminuirá, siempre y cuando la presión no tenga variaciones. Ejemplo:

PRESION CONSTANTE

1kg

1kg

1kg

1kg

AIRE CALIENTE

AIRE FRIO

A este proceso se le llama transformación isóbara. La presión aumentará pues el gas se expande y genera un trabajo. En este caso empuja el pistón hacia arriba. Puedes utilizar cualquiera de las dos fórmulas para encontrar el valor de la presión constante:

V₁ = V₂ = Presión constante T₁ T₂

V = P Constante T

Donde: V = Volumen T = Temperatura en grados Kelvin P = Presión constante http://www.manualesydiagramas.blogspot.com

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Ejemplo: A presión constante, un gas ocupa 1500 ml a 35°C ¿Qué temperatura es necesaria para que este gas se expanda hasta 2.6 litros? Formula: V₁

T₁

= V₂

En este caso tenemos que encontrar la temperatura final

T₂

Datos: V₁ = 1500 ml T₁ = 35°C

V₂ = 2.6 litros T₂ = ?

s 35°C tenemos que convertirlos a grados Kelvin, formula:

°C + 273 = °K

35+ 273 = 308°K s 1500ml tenemos que convertirlos a litros, formula: ml = litros 1000 1500 = 1.5L 1000 aplica la formula: 1.5 308

=

2.6 T₂

Se despeja “T₂”

T₂ = 308 x 2.6 = 800.8 = 533 1.5 1.5

T₂ = 533 °K vuelve a convertir a grados centígrados, restando 273 a los grados kelvin del ultado: 533 - 273 = 260 Resultado : T₂ = 260°C

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LEY DE GAY LUSSAC

“..a volumen constante, la presión absoluta de un gas es directamente proporcional a la temperatura..” Significa que en un recipiente sellado herméticamente, el gas que contiene no aumentará su volumen, si no que aumentará la presión y la temperatura. A este fenómeno se le llama transformación isócora. Ejemplo: Manómetro indicando baja presión

Aire frio

Recipiente sellado

Manómetro indicando alta presión

Aire caliente

Para este fenómeno se utilizará la siguiente formula para determinar el VOLUMEN CONSTANTE:

P₁ P₂ = =V T₁ T₂ Donde: P = Presión (atm) T = Temperatura (°K) V = volumen constante (litros) http://www.manualesydiagramas.blogspot.com

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Un gas en un recipiente de 2 litros a 293 K y 560 mmHg. ¿A qué temperatura en °C llegará el gas si aumenta la presión interna hasta 760 mmHg? entifica los datos del problema: V= 2 L T1= 293 K T2=? P1= 560 mmHg P2= 760 mmHg

espejar T2,

Formula: P1= P2 T1 T2 En este caso buscaremos el valor de “T2”

P1 = P2 T1 T2

T2= P2 x T1 P1 stituir datos y efectuar el calculo matemático. T2= 760 mmHg x 293 °K 560mmHg

cancelan las unidades (mmHg) y se obtiene el resultado: T2= 397, 76 K e transforma la unidad (Kelvin) a °C. °C= K - 273 °C= 397,76 – 273 = 124,76 Resultado = 124,76 °C

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GENERACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO

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FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE UN COMPRESOR Para poder obtener aire comprimido es necesario utilizar compresores que elevan la presión del aire al nivel de trabajo deseado tomándolo del ambiente y almacenándolo en un depósito para su posterior utilización. El funcionamiento de un compresor es bastante sencillo; Al suministrar corriente, el motor eléctrico se enciente y mueve una banda que hace girar un par de pistones que succionan el aire del ambiente y lo comprimen dentro de un depósito. Un presostato controla el límite de presión de aire que puede almacenar el depósito. Cuando el deposito alcanza cierta presión, el presostato corta la corriente al motor apagándolo, cuando la presión disminuye el presostato arranca de nuevo el compresor. El compresor tiene un termómetro y un manómetro que mide la temperatura y la presión del deposito, esto ayuda al operario a tener información del estado general del compresor.

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VISTA INTERNA DEL CICLO DE SUCCIÓN Y COMPRESIÓN SALIDA DE AIRE

ENTRADA DE AIRE VÁLVULAS

CAMARA DE COMPRESIÓN

PISTÓN

CONTRAPESO

CIGUEÑAL

ando el pistón baja, se abre la válvula de admisión permitiendo que rese aire al interior del cilindro. ando el pistón sube, se cierra la válvula de admisión y se abre la de scarga, permitiendo que el aire que contenía el cilindro sea desplazado hacia el deposito de aire comprimido.

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DEPOSITO DE AIRE El deposito de aire, llamado también acumulador, tanque o calderín tiene la función de: 1.- Amortiguar las pulsaciones del caudal de salida de los compresores alternativos. 2.-Permite que los compresores no trabajen de manera continua, deteniéndose cuando se alcance la presión de trabajo. 3.-Evita las caídas de presión durante las altas demandas de trabajo El deposito está provisto de accesorios de medición y de seguridad como válvulas de alivio, termómetro y manómetro FILTRO DE ASPIRACIÓN CILINDRO

VENTILADOR ENFRIADOR

PRESOSTATO

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN (termómetro y manómetro)

VALVULA DE ALIVIO

MOTOR ELECTRICO

D E P O S I T O DE A I R E

SALIDA DE AIRE VALVULA DE PURGA http://www.manualesydiagramas.blogspot.com

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TIPOS DE COMPRESORES Existen diferentes tipos de compresores, utilizados según la demanda de aire comprimido ya que algunos poseen mayor capacidad y cualidades que otros. Son dos tipos principales de compresores; los que comprimen el aire por reducción de volumen y los que la comprimen por aceleración de una turbina. A su vez, cada tipo de compresor le derivan otros como veremos en la gráfica inferior.

RECIPROCANTES ALTERNATIVOS DE MEMBRANA

DESPLAZAMIENTO

ROTATIVOS

RADIAL DE TORNILLO DE LOBULOS O “ROOTS”

TURBOCOMPRESOR DINAMICO AXIAL

DINAMICOS (Turbinas) TURBOCOMPRESOR DINAMICO RADIAL O CENTRIFUGO

Los más utilizados en neumática son:

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COMPRESOR RECIPROCANTE

El compresor reciprocante comprime el aire mediante el desplazamiento de un pistón dentro de un cilindro. Cuando el pistón desciende, se abre una válvula que permite el paso de aire dentro del cilindro. Cuando el pistón sube, se cierra la válvula de admisión y se abre la de expulsión, empujando el aire dentro del depósito. Este tipo de compresores es muy utilizado en donde el requerimiento de aire no es muy grande, tales como llanteras o talleres mecánicos.

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COMPRESOR DE DOS ETAPAS ENFRIADOR

ETAPA 2

ETAPA 1

Con el compresor de dos etapas pueden alcanzarse presiones muy altas cercanas a 200 bares (2900 PSI). Un pistón comprime el aire y lo empuja hacia otro cilindro donde se comprime aun más. Cuenta con un enfriador de aire entre las dos etapas para mejorar la compresión. http://www.manualesydiagramas.blogspot.com

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COMPRESOR DE MEMBRANA O DIAFRAGMA VALVULAS DE ADMISIÓN Y EXPULSIÓN

DIAFRAGMA O MEMBRANA

Los compresores de membrana funcionan de manera similar a los de pistón, solo que en este tipo, el pistón mueve una membrana flexible de manera ascendente y descendente provocando la succión y empuje del aire hacia el deposito de aire comprimido. El compresor de diafragma suministra aire comprimido seco a menores presiones pero libre de aceite, por lo que se emplea en la industria farmacéutica, alimenticia o donde se requiera aire sumamente limpio.

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COMPRESOR TIPO TORNILLO

ROTOR MACHO

ROTOR HEMBRA

Este tipo de compresor es muy utilizado en la industria. Puede dar caudales muy elevado, (24000 m3/h) con una presión de 10 bares (145 PSI). Si se colocan en serie puede alcanzar presiones de hasta 30 BAR (435 PSI)

MOTOR ELÉCTRICO ENTRADA DE AIRE

SALIDA DE AIRE

Funcionan mediante dos rotores helicoidales que giran dentro de un cárter en sentido contrario e impulsan el aire de forma continua creando un caudal.

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