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Conceptos Básicos
NEUMATICA
Contenido
Composición del aire Presión Atmosférica Presión manométrica
Unidades de Presión Fuerza de un cilindro
Leyes de los gases Temperatura constante
Presión constante Volumen constante Ley General de los gases Compresion Adiabática
Agua en el aire comprimido Intercambiadores de Calor Enfriado Caudal en las válvulas
Escalas de Temperatura
Compresion Politrópica Humedad Relativa
Principio de Pascal
Composición del aire
Composición
Nitrogeno 78.09% N2
Oxígeno 20.95% O2
Argón 0.93% ArOtros 0.03%
Presión atmosférica
Debida al peso del aire encima nuestro
Disminuye si
subimos una montaña Aumenta si
bajamos a una mina También varia por
condiciones del clima
Presión atmosférica
La presión absoluta y temperatura al nivel del mar son 1.01325 bars y 288 K (15OC), respectivamente
1013.25 m bar
Barómetro de Mercurio
La presión atmosférica puede medirse por la altura de una columna al vacío de un liquido
Al nivel del mar una columna de mercurio alcanza una altura de 760 mm Hg (1.0139 bar)
Una columna de agua mediría 10 mts. Pero el mercurio es mucho más denso que el agua
760 mm Hg
Presión atmosférica
Barómetro de Mercurio
DENSIDADES (Kg /m3)
Aire 1.25
Alcohol 806
Agua 1000
Mercurio 13600
(el mercurio es 10880 veces más denso que el aire)
760 mm Hg
Presión atmosférica
Presión Manométrica (Pg)
En los sistemas neumáticos la presión se mide con manómetros
La presión manométrica indica la presión en exceso a la presión atmosferica
La graduación de los manómetros se da generalmente en bar
(en equipo inglés en PSI)
Presión Manométrica (Pg)
La presión manométrica indica la presión en exceso a la presión atmosferica
Presión manométrica cero es igual a la presión atmosférica
En los cálculos con las fórmulas se usan presiones absolutasPa = Pg + 1 atmósfera
Aunque en realidad 1 atmósfera es igual a 1.013 bar, se asume que 1 atmósfera es igual a 1 bar
PresionesBajas
Presionestípicas
01234
5
67
8
910
111213
1415
1617
01234
5
67
8
910
111213
1415
16
Pre
sión
abs
olut
a
bar
a
Pre
sión
man
omét
rica
bar
g
Vacío
atmósfera
Rangoextendidodepresiones
Unidades de Presión
1 Pascal = 1 N / m2 1 bar = 100,000 Pascal 1 bar = 10 N / cm2
Si se usan libras por pulgada cuadrada (psi)
1 psi = 68.95 mbar14.5 psi = 1bar
Unidades de Presión
1 bar = 100000 N/m2
1 bar = 100 kPa 1 bar = 14.50 psi (100 psi = 6.9 bar) 1 bar = 10197 kgf/m2
1 mm Hg = 1.334 mbar aprox. 1 mm H2O = 0.0979 mbar aprox.
1/10 bar (10,000 Pa) es aprox. lo más fuerte que una persona promedio puede soplar
Principio de Pascal
La presión de los fluidos se transmite por igual en todas las direcciones
La fuerza ejercida por un piston es igual al producto del area efectiva por la presión del aire
PRESION = FUERZA
AREA
Por tanto si la presión suministrada es constante, a mayor diámetro D del cilindro mayor fuerza F para el trabajo
D mm
P bar
F
Fuerza de un cilindro
La fuerza ejercida por un pistón es igual al producto del area efectiva por la presión del aire
Fuerza = D2
40P Newtons
D mm
P bar
donde
D = diámetro del cilindro en mmP = presión en bar
Escalas de Temperatura
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
233
253
273
293
313
333
353
373
393
OK = OC + 273.15
OF = 9/5 OC + 32
Fahrenheit y Celsius coinciden a - 40O
OK
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
OF OC
Leyes de los gases
Las variables de estado de los gases son: presión, volumen y temperatura
Si mantenemos una de ellas constante, la relación de las otras dos esta dada por las siguientes leyes:
Temperatura constante P.V = constante
(Ley de Boyle)
Presión constante V / T = constante (Ley de Charles)
Volumen constante P / T = constante
(Ley de Gay - Lusac)
Temperatura constante
Ley de Boyle: el producto de presión y volumen de una masa de gas se mantiene si la temperatura no se varía
Este proceso se llama Isotérmico. Debe ser lento para que el calor fluya libremente y así la temperatura no cambie, cuando el gas es comprimido o expandido
0 2 4 6 8 160
2
4
6
8
10
12
Volumen V
Presión Pbar (absoluta)
P1.V1 = P2.V2 = constante
10 12 14
14
16
Presión constante
Ley de Charles:
El volumen de una
masa de gas cambia proporcionalmente a su temperatura absoluta, si la presión se mantiene constante (Isobárico)
Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio de 73.25oC produce un cambio de 25% en volumen
0o Celsius = 273K
0 0.25 0.5 0.75 1 2-60
-40
-20
0
20
40
60
Volume
TemperatureCelsius
1.25 1.5 1.75
80
100
293K
V1 V2T1(K) T2(K)
= c=
Presión constante
0 0.25 0.5 0.75 1 2-60
-40
-20
0
20
40
60
Volume
TemperatureCelsius
1.25 1.5 1.75
80
100 366.25K
V1 V2T1(K) T2(K)
= c=
Ley de Charles:
El volumen de una
masa de gas cambia proporcionalmente a su temperatura absoluta, si la presión se mantiene constante (Isobárico)
Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio de 73.25oC produce un cambio de 25% en volumen
0o Celsius = 273K
Presión constante
Ley de Charles:
El volumen de una
masa de gas cambia proporcionalmente a su temperatura absoluta, si la presión se mantiene constante (Isobárico)
Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio de 73.25oC produce un cambio de 25% en volumen
0o Celsius = 273K
0 0.25 0.5 0.75 1 2-60
-40
-20
0
20
40
60
Volume
TemperatureCelsius
1.25 1.5 1.75
80
100
293K
V1 V2T1(K) T2(K)
= c=
Presión constante
0 0.25 0.5 0.75 1 2-60
-40
-20
0
20
40
60
Volume
TemperatureCelsius
1.25 1.5 1.75
80
100
219.75K
V1 V2T1(K) T2(K)
= c=
Ley de Charles:
El volumen de una
masa de gas cambia proporcionalmente a su temperatura absoluta, si la presión se mantiene constante (Isobárico)
Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio de 73.25oC produce un cambio de 25% en volumen
0o Celsius = 273K
Presión constante
0 0.25 0.5 0.75 1 2-60
-40
-20
0
20
40
60
Volume
TemperatureCelsius
1.25 1.5 1.75
80
100 366.25K
219.75K
293K
V1 V2T1(K) T2(K)
= c=
Ley de Charles:
El volumen de una
masa de gas cambia proporcionalmente a su temperatura absoluta, si la presión se mantiene constante (Isobárico)
Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio de 73.25oC produce un cambio de 25% en volumen
0o Celsius = 273K
Volumen constante
Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de aire se mantiene constante, la presión es proporcional a la temperatura
Un recipiente rígido (volumen constante) a 20oC y 10 bar de presión absoluta, un cambio de temperatura de 60oC produce un cambio de presión de 2.05 bar
0oC = 273K
0 5 10 20-60
-40
-20
0
20
40
60
TemperatureCelsius
15
80
100
0
2
4
68
bar
10
12
14
16
P1 P2T1(K) T2(K)
= c=
bar absolute
Volumen constante
0 5 10 20-60
-40
-20
0
20
40
60
TemperatureCelsius
15
80
100
0
2
4
68
bar
10
12
14
16
P1 P2T1(K) T2(K)
= c=
bar absolute
Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de aire se mantiene constante, la presión es proporcional a la temperatura
Un recipiente rígido (volumen constante) a 20oC y 10 bar de presión absoluta, un cambio de temperatura de 60oC produce un cambio de presión de 2.05 bar
0oC = 273K
Volumen constante
Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de aire se mantiene constante, la presión es proporcional a la temperatura
Un recipiente rígido (volumen constante) a 20oC y 10 bar de presión absoluta, un cambio de temperatura de 60oC produce un cambio de presión de 2.05 bar
0oC = 273K
0 5 10 20-60
-40
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0
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TemperatureCelsius
15
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100
0
2
4
68
bar
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P1 P2T1(K) T2(K)
= c=
bar absolute
Volumen constante
0 5 10 20-60
-40
-20
0
20
40
60
TemperatureCelsius
15
80
100
0
2
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68
bar
10
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16
P1 P2T1(K) T2(K)
= c=
bar absolute
Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de aire se mantiene constante, la presión es proporcional a la temperatura
Un recipiente rígido (volumen constante) a 20oC y 10 bar de presión absoluta, un cambio de temperatura de 60oC produce un cambio de presión de 2.05 bar
0oC = 273K
Volumen constante
0 5 10-60
-40
-20
0
20
40
60
bar absolute
TemperatureCelsius
15
80
100
0
2
4
68
bar
10
12
14
16
P1 P2T1(K) T2(K)
= c=
Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de aire se mantiene constante, la presión es proporcional a la temperatura
Un recipiente rígido (volumen constante) a 20oC y 10 bar de presión absoluta, un cambio de temperatura de 60oC produce un cambio de presión de 2.05 bar
0oC = 273K
Ley General de los gases
Es una combinación de las leyes de Boyle, de Charles y de Gay-Lusac
Si la masa se mantiene, y la presión, el volumen y la temperatura varían, la relacion PV/T permanece constante
P1 V1 = P2 V2 = constante
T1 T2
Compresión Adiabática
La compresión instantánea es un proceso adiabático (si no hay tiempo para disipar el calor a través de las paredes del cilindro)
En una compresion (o expansión) adiabática
P V n = c (para el aire n = 1.4)
En un cilindro neumático la compresión es rápida aunque siempre se pierde algo de calor a través de las paredes del cilindro
Por tanto el valor de n es menor (se usa n 1.3)
2 4 6 80
2
4
6
8
10
12
bar a
10 12 14
14
16
16
PV 1. 4 = cadiabatico
PV 1. 2 = cpolitropico
PV = cisotérmico
Volume0
Compresión Politrópica
En aplicaciones como los amortiguadores de coches siempre existe algo de disipación de calor durante la compresión
Este tipo de compresión la podemos situar entre la adiabática y la isotérmica
Por no llegar a la compresión adiabática el valor de n será menor a 1.4 dependiendo de que tan brusca sea la amortiguación
Comunmente se usa un factor n = 1.2
Humedad Relativa (HR) Mide la cantidad de vapor de agua en el aire comparada con
la max cantidad de vapor de agua que podria contener antes de su precipitación.
HR varía con la temperatura del aire.
-40
-20
0 10 20 30 40 50
0
20
40
Gramos de vapor de agua / metro cúbico de aire (gr / m3)60 70 80
Tem
per
atu
ra C
els
ius
25% HR 50% HR 100% HR
A 20o Celsius100% HR = 17.40 gr/m3
50% HR = 8.70 gr/m3
25% HR = 4.35 gr/m3
Agua en el aire comprimido
Cuando una gran cantidad de aire se comprime, se nota la aparición de agua
El vapor de agua en el aire es tambien comprimido y el resultado es similar al de exprimir una esponja
Esto provoca que el aire comprimido se sature dentro del tanque
Drenaje
aire 100%saturado
Condensado
Agua en el aire comprimido
Imaginémos 4 cubos de 1 m3 de aire libre a 20oC y con humedad relativa del 50%
Es decir contienen 8.7 grs. de agua (la mitad del max posible que es de 17.4 grs.)
Agua en el aire comprimido
Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para formar 1 m3, los 4 x 8.7 = 34.8 gramos de agua no pueden sostenerse en él.
El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua Los otros 2 x 8.7 = 17.4 grs. agua caen como gotas.
Agua en el aire comprimido
Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para formar 1 m3, los 4 x 8.7 = 34.8 gramos de agua no pueden sostenerse en él.
El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua Los otros 2 x 8.7 = 17.4 grs. agua caen como gotas.
Agua en el aire comprimido
Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para formar 1 m3, los 4 x 8.7 = 34.8 gramos de agua no pueden sostenerse en él.
El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua Los otros 2 x 8.7 = 17.4 grs. agua caen como gotas.
Agua en el aire comprimido
Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para formar 1 m3, los 4 x 8.7 = 34.8 gramos de agua no pueden sostenerse en él.
El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua Los otros 2 x 8.7 = 17.4 grs. agua caen como gotas.
Agua en el aire comprimido
Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para formar 1 m3, los 4 x 8.7 = 34.8 gramos de agua no pueden sostenerse en él.
El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua Los otros 2 x 8.7 = 17.4 grs. agua caen como gotas.
Agua en el aire comprimido
4 m3 con 50%HR y 1 bar presión atmosferica puede comprimirse en 1 m3 con una presión manométrica de 3 bar
17.4 gramos de agua permanecen como vapor en el aire saturado
Mientras que 17.4 gramos se condensan y se precipitan
Este proceso continúa, y cada vez que la presión manométrica excede 1 bar y se comprime 1 m3 adicional de aire, 8.7 gramos de agua se precipitan
Intercambiadores de calor
El aire tiene vapor de agua
Al comprimirse el aire se satura
Se desea utilizar aire comprimido seco
Para secar el aire comprimido se utilizan los intercambiadores de calor
Estos enfrian primero y entibian luego el aire comprimido
Al hacerlo secan el aire comprimido
M
Aire Seco
Aire húmedo
DrenajeRefrigeración
Intercambiadores de calor
El aire húmedo entra al primer intercambiador de calor y es enfriado por el aire seco que va saliendo
Este aire entra al segundo intercambiador de calor donde es refrigerado
El condensado se drena al exterior
A medida que el aire seco y refrigerado sale, es entibiado por el aire húmedo que va entrando
M
Aire Seco
Aire húmedo
DrenajeRefrigeración
Enfriado
Cuando el aire comprimido saturado se enfría casi al punto de congelación,
-40
-20
0 10 20 30 40 50
0
20
40
Gramos de vapor de agua / metro cubico de aire gr/ m3
60 70 80
Tem
per
atu
ra C
els
ius
25% RH 50% RH 100% RH
Enfriado
Cuando el aire comprimido saturado se enfría casi al punto de congelación, aproximadamente el 75% del vapor de agua se condensa.
-40
-20
0 10 20 30 40 50
0
20
40
60 70 80
Tem
per
atu
ra C
els
ius
25% RH 50% RH 100% RH
Gramos de vapor de agua / metro cubico de aire gr/ m3
Enfriado
Cuando el aire comprimido saturado se enfría casi al punto de congelación, aproximadamente el 75% del vapor de agua se condensa. Cuando se le entibia hasta 20OC se seca alcanzando una humedad relativa del 25% HR
-40
-20
0 10 20 30 40 50
0
20
40
60 70 80
Tem
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atu
re C
els
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25% RH 50% RH 100% RH
Gramos de vapor de agua / metro cubico de aire gr/ m3