neumática básica

Introducción y

Teoría del Aire

Para neumática industrial

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Contenido

Composición del aire.

Presión atmosférica.

Aire comprimido industrial.

Presión.

Unidades de presión.

Presión y fuerza.

Ley general de los gases.

Generación de aire comprimido.

Caudal de aire comprimido.

Introducción.

Agua en el aire comprimido.

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Introducción• ¿Que es Neumática ?

– La técnica que utiliza el aire comprimido como vehiculo para transmitir energía.

• Propiedades del aire comprimido :– Fluidez: ofrece poca resistencia al desplazamiento.

– Compresibilidad: un gas se puede comprimir en un recipiente cerrado aumentando la presión.

– Elasticidad: la presión ejercida en un gas se transmite con igual intensidad en todas las direcciones ocupando todo el volumen que lo engloba.

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Composición del aire

• El aire que respiramos es elástico, comprimible y fluido.

• Damos por hecho que el aire llena todo el espacio que lo contiene.

• El aire se compone básicamente de nitrógeno y de oxígeno.

Composición por Volumen

Nitrógeno 78.09% N2

Oxígeno 20.95% O2

Argón 0.93% Ar

Otros 0.03%

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Presión Atmosférica• La presión atmosférica es

causada por el peso del aire sobre nosotros.

• Esta es menor cuando subimos una montaña y mayor al descender a una mina.

• La presión varía con las condiciones atmosféricas.

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Atmósfera Standard

• Una atmósfera standard se define por la Organización Internacional de Aviación Civil. La presión y temperatura al nivel del mar es 1013.25 mili bar absoluta y 288 K (15OC).

1013.25 m bar

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Atmósfera y vacío

• La potencia de la presión atmosférica es evidente en la industria de manipulación donde se utilizan ventosas y equipos de vacío.

• El vacío se consigue evacuando todo el aire de un sitio determinado.

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Aire comprimido industrial

• Las presiones se dan en bar (relativos a la presión atmosférica).

• El cero del manómetro es la presión atmosférica.

• Para cálculos se utiliza la presión absoluta:Pabs = Pman + Patm

• Se asume para cálculos rápidos que 1 atmósfera equivale a

1 bar.

• En realidad 1 atmósfera equivale a 1.013 bar.

Rango

bajo

Rango

industrial

típico

0

1

2

3

4

5

6

7

8

10

11

12

13

14

15

16

17

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Pre

sió

n a

bsolu

ta(B

ar)

Pre

sió

n m

anom

étr

ica b

ar

Vacío total

Atmósfera

Rango

Industrial

ampliado

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Presión• 1 bar = 100.000 N/m2

(Newtons por metro cuadrado).

• 1 bar = 10 N/cm2

1,000 mbar = 1 bar

El sistema Inglés

utiliza los pies por

pulgada cuadrada

(psi)

1 psi = 68.95mbar

14.5 psi = 1bar

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Unidades de presión• Existen diversas unidades de medida de presión. Se muestran

algunas de ellas y sus equivalencias:

• 1 bar = 100.000 N/m2

• 1 bar = 100 kPa

• 1 bar = 14.50 psi

• 1 bar = 10.197 kgf/m2

• 1 mm Hg = 1,334 mbar aprox.

• 1 mm H2O = 0,0979 mbar aprox.

• 1 Torr = 1mmHg abs (para vacío)

Presión y fuerza

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Presión y fuerza• El aire comprimido ejerce una

fuerza de igual valor en todas las direcciones de la superficie del recipiente que lo contiene.

• El líquido en un recipiente será presurizado y transmitido con igual fuerza.

• Por cada bar de manómetro, se ejercen 10 Newtons uniformemente sobre cada centímetro cuadrado.

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Presión y fuerza• La fuerza que se desarrolla

sobre un pistón debida a la presión del aire comprimido es el área efectiva multiplicada por la presión:

Fuerza =D2

4

PKg

p

D cm

P Kg/cm2

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Presión y fuerza• Si ambas conexiones de un

cilindro de doble efecto se conectan a la misma presión el cilindro se moverá debido el diferencial de presión que hay en ambas cámaras.

• Si el cilindro es de doble vástago el cilindro no se moverá.

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Presión y fuerza• En la corredera de una válvula la presión actuando en cualquier

conexión no hará que la corredera se desplace puesto que las dos áreas sobre las que actúa el aire son iguales.

• P1 y P2 son las presiones de alimentación y escape.

P1 P2

Las leyes de los gases

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Las leyes de los gases• Para cualquier masa de aire dada las propiedades variables son

presión, volumen y temperatura.

• Asumiendo que una de estas variables se mantiene constante se darán los siguientes casos:

• Temperatura Constante

• Presión Constante

• Volumen Constante

P.V = C (una constante)

= C (una constante)V

T

= C (una constante)P

T

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La Ley general de los Gases

= = CP1 .V1

T1

P2 .V2

T2

Nota : por lo general trabajaremos a temperatura constante.

Generación del aire comprimido

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Central Generación Aire Comprimido

Compresor y refrigerador

Presión manómetro

Válvula seguridad

Purga condesados

Válvula de purga

Depósito acumulador

Tubería

distribución

SWP

10barVálvula de corte

M

Agua en el Aire Comprimido

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Agua en el aire comprimido• Cuando se comprimen grandes

cantidades de aire se produce una cantidad considerable de condensados.

• El vapor de agua natural que contiene el aire atmosférico licua como en una esponja.

• El aire en el interior del recipiente continuará saturado (100% HR).

purga

aire

totalmente

saturado

Condensado

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Agua en el aire comprimido• La cantidad de vapor de agua que contiene una muestra de aire

atmosférico se mide por la humedad relativa en % HR. Esteporcentaje es la proporción de la cantidad máxima de agua quepuede contener el aire a una temperatura determinada.

-40

-20

0 10 20 30 40 50

0

20

40

Gramos vapor agua / metro cúbico aire g/m3

60 70 80

Te

mp

era

tura

Ce

lsiu

s

25% RH 50% RH 100% RH

A 20o Celsius

100% HR = 17.4 g/m3

50% HR = 8.7 g/m3

25% HR = 4.35 g/m3

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Agua en el aire comprimido• La ilustración muestra cuatro cubos donde cada uno representa 1

metro cúbico de aire atmosférico 20º C. Cada uno de estos volúmenes tiene una humedad relativa del 50% HR. Esto quiere decir que contiene 8.7 gramos de vapor de agua, la mitad del máximo posible que es 17.4 gramos.

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Agua en el aire comprimido• Cuando el compresor comprime estos cuatro metros cúbicos en uno

solo luego habrá 4 veces 8.7 gramos, pero tan solo dos de estas partes se pueden mantener como vapor en un metro cúbico de volumen. Las otras dos partes condensaran en gotas de agua.

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Agua en el aire comprimido• Cuando el compresor comprime estos cuatro metros cúbicos en uno

solo luego habrá 4 veces 8.7 gramos, pero tan solo dos de estas partes se pueden mantener como vapor en un metro cúbico de volumen. Las otras dos partes condensaran en gotas de agua.

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Agua en el aire comprimido• Cuando el compresor comprime estos cuatro metros cúbicos en uno

solo luego habrá 4 veces 8.7 gramos, pero tan solo dos de estas partes se pueden mantener como vapor en un metro cúbico de volumen. Las otras dos partes condensaran en gotas de agua.

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Agua en el aire comprimido• Cuando el compresor comprime estos cuatro metros cúbicos en uno

solo luego habrá 4 veces 8.7 gramos, pero tan solo dos de estas partes se pueden mantener como vapor en un metro cúbico de volumen. Las otras dos partes condensaran en gotas de agua.

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Agua en el aire comprimido• 4 metros cúbicos a presión atmosférica

contenidos en 1 metro cúbico producen una presión de 3 bares de manómetro.

• 17.4 gramos de agua se mantienen como vapor produciendo el 100% HR y los otros 17.4 gramos condensan en agua líquida.

• Esto es un proceso continuo, de manera que cuando el manómetro marca 1 bar, cada vez que se comprime un metro cúbico de aire y se añade al metro cúbico contenido, otros 8.7 gramos se comprimen.

Caudal de aire comprimido

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Unidades de caudal• El caudal se mide como

volumen de aire libre por unidades de tiempo.

• Las unidades usuales : – Litros o decímetros cúbicos

por segundo lN/s o dm3/s– Metros cúbicos por minuto

m3/min– Pies cúbicos estándar por

minuto scfm

• 1 m 3/m = 35.31 scfm

• 1 dm 3/s = 2.1 scfm

• 1 scfm = 0.472 l/s

• 1 scfm = 0.0283 m3/min1 metro cúbico

o 1000 dm3

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Caudal aire LibreVolumen real de 1 litro

de aire libre a presión• El espacio entre las barras

representa el volumen real que ocupa un litro de aire libre a su respectiva presión.

• El caudal es el resultado de la presión diferencial, a un bar absoluto (0 de manómetro) solo habría caudal en vacío.

• Si la velocidad fuese la misma en cada caso el caudal seria el doble que en el caso anterior (La densidad del aire es el doble que en el caso anterior).

0

1/8

1/16

1/4

1/2

1 litro

1bar

2bar

4bar

8bar

16bar

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Caudal sónico• La velocidad límite a la cual puede

circular el aire es la velocidad del sonido

• Para alcanzar el caudal sónico, se ha de tener una P1, aprox. 2 veces P2 o mas.

• Cuando se vacía un recipiente de aire a alta presión a la atmósfera el caudal se mantendrá constante (a la velocidad del sonido) hasta que P1

sea menor que 2 P2.

• Cuando se carga un recipiente elcaudal se mantiene constante hasta que P2 es 1/2 P1.

P1 bar

absoluta

time

P1(inicial)=9 bar

2P2

0 5 10 2001

234

5

6

15

7

8

9

atm

0 5 10 2001

234

5

6

15

7

8

9

P2 bar

absoluta

P1(Inicial)=1 bar

P2=1/2P1

atm

Descarga de un recipiente ala atmósfera

time

Carga de un recipiente

P2(Final)=9 bar