Download - Texto de Neumática y Electroneumática
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TextoBsicodeElectroneumticayOleohidrulica
Tomo 1
Ing. MSc. Pablo E Montalvo Jaramillo
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ndice.
Capitulo 1 ................................................................................................................................... 3
Introduccin ................................................................................................................................ 3
Ventajas del aire comprimido ................................................................................................. 3
Inconvenientes del aire comprimido....................................................................................... 4
Captulo 2 ................................................................................................................................... 7
Principios Fsicos ........................................................................................................................ 7
Aire ......................................................................................................................................... 7
Peso Especfico ................................................................................................................... 7
Volumen especfico ............................................................................................................ 7
Presin .................................................................................................................................... 7
Principio de Pascal ............................................................................................................. 8
Experimento de Torricelli ................................................................................................... 8
Atmsfera ........................................................................................................................... 9
Presin absoluta y relativa .................................................................................................. 9
Unidades de Presin ......................................................................................................... 10
Caudal ............................................................................................................................... 11
Calor y Temperatura ............................................................................................................. 12
Calor ................................................................................................................................. 12
Temperatura ...................................................................................................................... 13
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ESCALAS DE TEMPERATURA ................................................................................... 13
Caractersticas fundamentales de los gases .......................................................................... 15
Ley de BoyIe - Mariotte ................................................................................................... 15
Ley de Gay - Lussac......................................................................................................... 16
Captulo 3 ................................................................................................................................. 19
Produccin del Aire Comprimido ............................................................................................ 19
Tipos de Compresores. ......................................................................................................... 20
Compresores de mbolo. .................................................................................................. 20
Compresor helicoidal. ...................................................................................................... 21
Compresor de paletas. ...................................................................................................... 21
Compresor de mbolo rotativo. ........................................................................................ 22
Filtrado del Aire ................................................................................................................... 22
Secado del aire ..................................................................................................................... 23
Secado por absorcin ....................................................................................................... 23
Secado por adsorcin ....................................................................................................... 24
Secado por enfriamiento .................................................................................................. 25
Enfriado del aire ................................................................................................................... 26
Ubicacin del sistema de Compresin. ................................................................................ 27
Recomendaciones para la toma de aire. ........................................................................... 27
Instalacin de tubos de Admisin. ................................................................................... 29
Consejos Para Tomas Exteriores...................................................................................... 30
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Acumulador. ......................................................................................................................... 31
Distribucin del Aire Comprimido. ...................................................................................... 33
Dimensionado de las Tuberas. ......................................................................................... 33
Tendido de la red. ............................................................................................................. 35
Captulo 4 ................................................................................................................................. 37
lgebra Booleana ..................................................................................................................... 37
USO DE LA NUMERACIN BINARIA ............................................................................ 37
Representacin de una Seal Binaria ............................................................................... 39
Tabla de la Verdad ............................................................................................................ 40
Funciones y Ecuaciones Booleanas ...................................................................................... 42
Funcin O ...................................................................................................................... 42
Funcin Y ...................................................................................................................... 42
Funcin No .................................................................................................................... 43
Funcin No O ................................................................................................................ 44
Funcin No Y ................................................................................................................ 45
Funcin O exclusiva ..................................................................................................... 46
NO O exclusivo ................................................................................................................ 47
Teoremas Booleanos ............................................................................................................ 48
Evaluacin de las salidas de los circuitos lgicos ................................................................ 51
Determinacin del nivel de salida a partir de un diagrama .............................................. 52
Simplificacin de Circuitos .................................................................................................. 53
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Captulo 5 ................................................................................................................................. 55
Utilizacin del Aire Comprimido ............................................................................................ 55
Filtrado, regulacin y lubricacin ........................................................................................ 55
Filtrado. ............................................................................................................................ 55
Purgas de aire comprimido. ............................................................................................. 57
Regulacin. ...................................................................................................................... 60
Lubricacin. ..................................................................................................................... 64
Grupo o Unidad de Mantenimiento. ................................................................................ 69
Captulo 6 ................................................................................................................................. 73
Elementos Neumticos ............................................................................................................. 73
Actuadores Neumticos ....................................................................................................... 73
Cilindros Neumticos ....................................................................................................... 73
Motores Neumticos ........................................................................................................ 80
Actuadores de Giro .......................................................................................................... 82
Vlvulas Direccionales ........................................................................................................ 84
Vlvula antiretorno .......................................................................................................... 91
Vlvulas reguladoras caudal ................................................................................................ 92
Vlvula reguladora de caudal ........................................................................................... 93
Vlvula reguladora de caudal unidireccional ................................................................... 94
Temporizador neumtico ................................................................................................. 95
Vlvulas de presin .............................................................................................................. 97
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Vlvulas reductoras o limitadoras de Presin .................................................................. 97
Vlvulas de Secuencia ...................................................................................................... 97
Elementos Varios .................................................................................................................. 98
Sensor o Detector Neumtico ........................................................................................... 98
Vlvulas Lgicas. ............................................................................................................. 99
Distribuidor ..................................................................................................................... 100
Toma de presin ............................................................................................................. 101
Seal Neumtica (Indicador ptico) ............................................................................... 101
Silenciador ...................................................................................................................... 102
Vlvula de Escape Rpido .............................................................................................. 103
Acoples Uniones y Racores ............................................................................................ 104
Sujecin de cilindros. ..................................................................................................... 105
Captulo 7 ............................................................................................................................... 106
Circuitos Neumticos ............................................................................................................. 106
Circuitos sencillos .............................................................................................................. 106
Circuitos secuenciales ........................................................................................................ 120
Secuencia por posicin ................................................................................................... 120
Secuencia por tiempo ..................................................................................................... 121
Secuencia por presin ..................................................................................................... 126
Ejercicios de lectura e interpretacin de circuitos neumticos ........................................... 130
Elementos de la cadena de mando ...................................................................................... 147
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Transformacin de seales elctricas en seales neumticas ............................................ 148
Transformacin de seales neumticas en seales elctricas ............................................ 149
Principio de funcionamiento de la bobina magntica ........................................................ 150
Electrovlvula de 2/2 vas sin servopilotaje ................................................................... 151
Electrovlvula de 3/2 vas con servopilotaje.................................................................. 153
Electrovlvula de 5/2 vas con servopilotaje.................................................................. 154
Electrovlvula biestable de 5/2 vas con servopilotaje .................................................. 155
Electrovlvula de tres posiciones cinco vas 5/3 ............................................................ 156
Aparatos elctricos ............................................................................................................. 157
Contactos de maniobra y tipos de accionamiento .............................................................. 159
Tipos de accionamiento de los elementos de maniobra ..................................................... 160
Signos grficos de contactos y maniobra para bobinas magnticas y rels ....................... 161
El rel ............................................................................................................................. 161
Interruptor magntico de proximidad (Rels Reed) ....................................................... 162
Dispositivos elctricos de salida ........................................................................................ 164
La funcin lgica Y (AND) ........................................................................................... 165
La funcin lgica O (OR) .............................................................................................. 165
Cadena de mando ............................................................................................................... 166
Mando directo de un cilindro de simple efecto .............................................................. 167
Mando indirecto de un cilindro de doble efecto ............................................................ 168
Circuito elctrico de retencin (memoria) - Marcha prioritaria ..................................... 169
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Circuito elctrico de retencin (memoria) - Paro prioritario .......................................... 170
Circuito electroneumtico de retencin (memoria) con electrovlvula de impulsos ..... 171
Mando en funcin del recorrido ..................................................................................... 172
Mando en funcin de presin ......................................................................................... 173
Esquema de conexionado electroneumtico ....................................................................... 174
Diagrama desplazamiento-paso .......................................................................................... 175
Esquema de conexionado de bornes ................................................................................... 176
Lista de comprobacin para el esquema de conexionado de bornes .................................. 177
Mandos programables ........................................................................................................ 179
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ndice de Figuras
Figura 1 Principio de Pascal ...................................................................................................... 8
Figura 2 Experimento de Torricelli ............................................................................................ 9
Figura 3 Tipos de presin......................................................................................................... 10
Figura 4 Escalas de temperatura .............................................................................................. 14
Figura 5 Ley de BoyIe - Mariotte ............................................................................................ 16
Figura 6 Principio de funcionamiento de un compresor .......................................................... 19
Figura 7 Compresor de mbolo ................................................................................................ 20
Figura 8 Compresor helicoidal ................................................................................................. 21
Figura 9 Compresor de paletas................................................................................................. 21
Figura 10 Compresor de mbolo rotativo ................................................................................ 22
Figura 11 Secado por absorcin ............................................................................................... 24
Figura 12 Secado por adsorcin ............................................................................................... 25
Figura 13 Secado por enfriamiento .......................................................................................... 26
Figura 14 Toma de aire inadecuada ......................................................................................... 27
Figura 15 Admisin de aire inadecuado .................................................................................. 28
Figura 16 Admisin de aire adecuado...................................................................................... 28
Figura 17 Ubicacin de tubo de admisin inadecuado ............................................................ 29
Figura 18 Sujecin de tubera de admisin .............................................................................. 29
Figura 19 Tubos de admisin ................................................................................................... 30
Figura 20 Consejos para tomas exteriores ............................................................................... 30
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Figura 21 Toma de aire inadecuada .......................................................................................... 31
Figura 22 Toma de aire adecuada ............................................................................................. 31
Figura 23 Acumulador de aire .................................................................................................. 32
Figura 24 Abaco para seleccin de tuberas para aire .............................................................. 34
Figura 25 Red de aire comprimido ........................................................................................... 35
Figura 26 Anillos de una red de aire comprimido .................................................................... 36
Figura 27 Representacin de una Seal Binaria ....................................................................... 39
Figura 28 Niveles lgicos ......................................................................................................... 39
Figura 29 Fotografa de un filtro de aire .................................................................................. 56
Figura 30 Filtro de aire ............................................................................................................. 56
Figura 31 Purga manual ............................................................................................................ 58
Figura 32 Purga semiautomtica .............................................................................................. 58
Figura 33 Purga automtica ...................................................................................................... 59
Figura 34 Smbolos de un filtro y de la purga .......................................................................... 60
Figura 35 Fotografa de un regulador de presin con manmetro ........................................... 60
Figura 36 Esquema de funcionamiento del regulador de presin y su smbolo ....................... 61
Figura 37 Smbolo de un regulador de presin ........................................................................ 62
Figura 38 Fotografa de un manmetro de Bourdon ................................................................ 62
Figura 39 Estructura de un manmetro de Bourdon ................................................................ 63
Figura 40 Smbolo de un manmetro ....................................................................................... 63
Figura 41 Fotografa de un lubricador ...................................................................................... 64
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Figura 42 Efecto vnturi en el proceso de lubricacin ............................................................. 65
Figura 43 Proceso de micro neblina ......................................................................................... 66
Figura 44 Lubricador ............................................................................................................... 66
Figura 45 Efecto vnturi en el lubricador ................................................................................ 67
Figura 46 Lubricacin con micro niebla .................................................................................. 68
Figura 47 Smbolo de un lubricador ........................................................................................ 69
Figura 48 Fotografa de una unidad de mantenimiento ........................................................... 70
Figura 49 Smbolos de una unidad de mantenimiento detallada (a) y simplificada (b) ........... 71
Figura 50 Fotografa de un cilindro neumtico ........................................................................ 73
Figura 51 Fotografa de un cilindro de simple efecto .............................................................. 74
Figura 52 Partes de un cilindro de simple efecto ..................................................................... 75
Figura 53 Smbolo de un cilindro de simple efecto ................................................................. 76
Figura 54 Fotografa de un cilindro de doble efecto ................................................................ 76
Figura 55 Partes de un cilindro de doble efecto ....................................................................... 78
Figura 56 Smbolo de un cilindro de doble efecto ................................................................... 78
Figura 57 Amortiguacin de final de carrera ........................................................................... 79
Figura 58 Smbolo de un cilindro de doble efecto ................................................................... 80
Figura 59 Fotografa de un motor neumtico ........................................................................... 80
Figura 60 Smbolos de un motor neumtico ............................................................................ 81
Figura 61 Fotografa de un actuador de giro de paletas (oscilante) ......................................... 82
Figura 62 Fotografa de un actuador de giro de cremallera (cilindro rotativo) ....................... 83
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Figura 63 Esquema y smbolos de los actuadores de giro ........................................................ 83
Figura 64 Smbolo de un actuador de giro ............................................................................... 83
Figura 65 Fotografa de una vlvula direccional ...................................................................... 84
Figura 66 Estructura de una vlvula direccional de corredera ................................................. 87
Figura 67 Estructura de una vlvula direccional de asiento ..................................................... 88
Figura 68 Fotografa de una vlvula antiretorno ...................................................................... 91
Figura 69 Estructura de las vlvulas antiretorno ...................................................................... 91
Figura 70 Estructura de una vlvula antiretorno de asiento ..................................................... 92
Figura 71 Smbolo de una vlvula antiretorno ......................................................................... 92
Figura 72 Fotografa de una vlvula reguladora de caudal ...................................................... 92
Figura 73 Esquema de una vlvula reguladora de caudal ........................................................ 93
Figura 74 Smbolos de las vlvulas reguladoras de caudal ...................................................... 94
Figura 75 Esquema de una vlvula de caudal unidireccional ................................................... 95
Figura 76 Smbolo de una vlvula reguladora de caudal unidireccional .................................. 95
Figura 77 Esquema de un temporizador nemtico ................................................................... 96
Figura 78 Smbolo de un temporizador neumtico .................................................................. 96
Figura 79 Smbolo de la vlvula reductora o limitadora de presin ......................................... 97
Figura 80 Corte de una vlvula de secuencia ........................................................................... 98
Figura 81 Smbolo de la vlvula de secuencia ......................................................................... 98
Figura 82 Smbolos de a) Sensor sin sensar, b) Sensor detectando la presencia de un elemento
.................................................................................................................................................. 99
Figura 83 Vlvula Lgica Y y su smbolo ............................................................................ 99
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Figura 84 Vlvula Lgica O y su smbolo.......................................................................... 100
Figura 85 Distribuidor neumtico .......................................................................................... 100
Figura 86 Smbolos de a) Toma de presin normal, b) Toma de presin para seal piloto .. 101
Figura 87 Smbolo de seal neumtica .................................................................................. 101
Figura 88 Silenciadores Neumticos...................................................................................... 102
Figura 89 Smbolo del silenciador neumtico........................................................................ 102
Figura 90 Vlvulas de escape rpido ..................................................................................... 103
Figura 91 Corte de la vlvula de escape rpido ..................................................................... 103
Figura 92 Smbolos de a) Escape rpido sin silenciador, b) Escape rpido con silenciador . 103
Figura 93 Acoples, uniones y racores .................................................................................... 104
Figura 94 Smbolos de a) acople rpido con antiretorno va cerrada. b) Acoples rpidos con
antiretorno, acoplados, c) Acople con va cerrado, d) Acoples unidos, e) Lnea de presin
cerrada y f) Lnea de presin conducto de alimentacin ....................................................... 105
Figura 95 Tipos de de sujecin de cilindros .......................................................................... 105
Figura 96 Ejercicio de alimentador por gravedad .................................................................. 106
Figura 97 Circuito neumtico del alimentador por gravedad ................................................ 107
Figura 98 Ejercicio seleccionador neumtico ........................................................................ 108
Figura 99 Circuito del seleccionador neumtico .................................................................... 109
Figura 100 Ejercicio elevador de cajas .................................................................................. 110
Figura 101 Circuito neumtico del elevador de cajas ............................................................ 111
Figura 102 Ejercicio intercambiador de bandas transportadoras ........................................... 112
Figura 103 Circuito neumtico del intercambiador de bandas transportadoras ..................... 113
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Figura 104 Ejercicio dobladora de platinas ............................................................................ 114
Figura 105 Circuito neumtico de la dobladora de platinas ................................................... 115
Figura 106 Ejercicio alimentador de hojas ............................................................................. 116
Figura 107 Circuito neumtico del alimentador de hojas ....................................................... 117
Figura 108 Ejercicio de direccionamiento de piezas .............................................................. 118
Figura 109 Circuito neumtico para el direccionamiento de piezas ....................................... 119
Figura 110 Mezclado neumtico ............................................................................................ 120
Figura 111 Circuito del mezclador neumtico ....................................................................... 121
Figura 112 Alimentador neumtico ........................................................................................ 122
Figura 113 Circuito del alimentador neumtico ..................................................................... 123
Figura 114 Dosificador ........................................................................................................... 124
Figura 115 Circuito neumtico del dosificador ...................................................................... 125
Figura 116 Grapadora automtica .......................................................................................... 126
Figura 117 Circuito neumtico de la grapadora automtica ................................................... 127
Figura 118 Estampadora ......................................................................................................... 128
Figura 119 Circuito neumtico de la estampadora ................................................................. 129
Figura 120 Ejercicio 1 de anlisis e interpretacin (Alimentador) ........................................ 130
Figura 121 Circuito del ejercicio 1 de anlisis e interpretacin (alimentador) ..................... 131
Figura 122 Ejercicio 2 de anlisis e interpretacin (Alimentador para estampadora) ........... 132
Figura 123 Circuito ejercicio 2 de anlisis e interpretacin (Alimentador para estampadora)
................................................................................................................................................ 133
Figura 124 Ejercicio 3 de anlisis e interpretacin (estacin de verificacin) ...................... 134
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Figura 125 Circuito ejercicio 3 de anlisis e interpretacin (estacin de verificacin) ........ 135
Figura 126 Ejercicio 4 de anlisis e interpretacin (Guillotina) ........................................... 136
Figura 127 Circuito (a) ejercicio 4 de anlisis e interpretacin (Guillotina) ....................... 137
Figura 128 Circuito (b) ejercicio 4 de anlisis e interpretacin (Guillotina) ....................... 138
Figura 129 Circuito (c) ejercicio 4 de anlisis e interpretacin (Guillotina) ....................... 139
Figura 130 Circuito (d) ejercicio 4 de anlisis e interpretacin (Guillotina) ....................... 140
Figura 131 Ejercicio 5 de anlisis e interpretacin (taladradora automtica) ....................... 141
Figura 132 Circuito (a) ejercicio 5 de anlisis e interpretacin (taladradora automtica) .... 142
Figura 133 Circuito (b) ejercicio 5 de anlisis e interpretacin (taladradora automtica) .... 143
Figura 134 Circuito (c) ejercicio 5 de anlisis e interpretacin (taladradora automtica) .... 144
Figura 135 Transformacin de seal elctrica en neumtica ................................................ 149
Figura 136 Transformacin de seal neumtica en seal elctrica ........................................ 150
Figura 137 Bobina magntica ................................................................................................ 151
Figura 138 Accionamiento electromagntico sin servo pilotaje de una vlvula neumtica 2/2
................................................................................................................................................ 152
Figura 139 Accionamiento electromagntico con servo pilotaje ........................................... 153
Figura 140 Accionamiento electromagntico con servo pilotaje de una vlvula neumtica 3/2
................................................................................................................................................ 154
Figura 141 Accionamiento electromagntico con servo pilotaje de una vlvula neumtica 5/2
................................................................................................................................................ 155
Figura 142 Accionamiento biestable electromagntico con servo pilotaje de una vlvula
neumtica 5/2 ......................................................................................................................... 156
Figura 143 Electrovlvula 5/3 ................................................................................................ 157
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Figura 144 Rectificador elctrico de puente ........................................................................... 158
Figura 145 Smbolos de contactos de maniobra y tipos de accionamientos elctricos .......... 159
Figura 146 Botonera e interruptor elctricos .......................................................................... 160
Figura 147 Signos grficos de contactos y maniobra para bobinas magnticas y rels ......... 161
Figura 148 Relee ..................................................................................................................... 162
Figura 149 Interruptor magntico de proximidad (Rels Reed) ............................................. 163
Figura 150 Dispositivos elctricos de salida .......................................................................... 164
Figura 151 Circuito y bloque de la funcin lgica Y (AND) ................................................. 165
Figura 152 Circuito y bloque de la funcin lgica O (OR) .................................................... 166
Figura 153 Cadena de mando ................................................................................................. 167
Figura 154 Mando directo de un cilindro de simple efecto .................................................... 168
Figura 155 Mando indirecto de un cilindro de doble efecto ................................................... 169
Figura 156 Circuito elctrico de retencin (memoria) - Marcha prioritaria ........................... 170
Figura 157 Circuito elctrico de retencin (memoria) - Paro prioritario ............................... 171
Figura 158 Circuito electroneumtico de retencin (memoria) con electrovlvula de impulsos
................................................................................................................................................ 172
Figura 159 Mando en funcin del recorrido ........................................................................... 173
Figura 160 Mando en funcin de presin ............................................................................... 173
Figura 161 Esquema de conexionado electroneumtico ........................................................ 174
Figura 162 Estructura del esquema de conexionado .............................................................. 175
Figura 163 Diagrama desplazamiento-paso ........................................................................... 176
Figura 164 Esquema de conexionado de bornes .................................................................... 177
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Figura 165 Conexiones de proteccin con diodo ................................................................... 179
Figura 166 Mandos controlado por relees.............................................................................. 180
Figura 167 Mandos programables.......................................................................................... 180
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ndice de Tablas
Tabla 1 Unidades de presin .................................................................................................... 11
Tabla 2 Valores lgicos ............................................................................................................ 38
Tabla 3 Teoremas Booleanos ................................................................................................... 49
Tabla 4 Smbolos de accionamientos de las vlvulas direccionales ......................................... 88
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Neumtica
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CCaappiittuulloo 11
IInnttrroodduucccciinn
Desde la antigedad ya se conoca aplicaciones del aire comprimido como energa. La
aplicacin de la neumtica es como consecuencia de una necesidad cada vez ms acuciante de
la automatizacin y racionalizacin del trabajo.
"La primera transmisin neumtica data de 1700, cuando el fsico francs Denis Papin emple
la fuerza de un molino de agua para comprimir aire que despus se transportaba por tubos.
Aproximadamente un siglo despus, el inventor britnico George Medhurst obtuvo una
patente para impulsar un motor mediante aire comprimido, aunque la primera aplicacin
prctica del mtodo suele atribuirse al inventor britnico George Law, quien en 1865 dise
un taladro de roca en el que un pistn movido por aire haca funcionar un martillo. El uso de
este taladro se generaliz, y fue empleado en la perforacin del tnel ferroviario del Mont
Cenis, en los Alpes, que se inaugur en 1871, y en el tnel de Hossac, en Massachussets
(Estados Unidos), inaugurado en 1875. Otro avance significativo fue el freno de aire
comprimido para trenes, diseado hacia 1868 por el inventor, ingeniero e industrial
estadounidense George Westinghouse."
Se puede definir la neumtica como la tcnica de aplicacin y utilizacin racional del aire
comprimido.
Las caractersticas que han contribuido a la gran aplicacin del aire comprimido se exponen a
continuacin, con sus ventajas y sus inconvenientes.
Ventajas del aire comprimido
Abundante. Es ilimitado y se encuentra disponible gratuitamente en cualquier lugar. No precisa conductos de retorno. El aire utilizado pasa de nuevo a la atmsfera.
Transportable. El aire puede ser fcilmente transportado por medio de tuberas simples que no requieren grandes exigencias, incluso a grandes distancias y como ya
dijimos no necesita tuberas de retorno.
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IInngg.. PPaabblloo EE MMoonnttaallvvoo JJaarraammiilllloo
4
Almacenaje. Almacenado y comprimido en acumuladores o depsitos, puede ser transportado y utilizado donde y cuando se precise.
Antideflagrante. Est a prueba de explosiones. No hay riesgo de chispas en atmsferas explosivas. Puede utilizarse en lugares hmedos sin riesgo de electricidad esttica.
Temperatura. Es fiable, incluso a temperaturas extremas.
Limpieza. Cuando se producen escapes no es perjudicial y pueden colocarse en las lneas, depuradoras o extractores para mantener el aire limpio. En caso de falta de
estanquidad en tuberas o elementos, no produce ninguna contaminacin, lo cual le
hace adecuado para trabajar en industrias alimenticias, farmacuticas, qumicas, textil,
de la madera, cuero, etc.
Elementos. El diseo y constitucin de elementos es fcil y de simple confeccin y, por tanto, de precio econmico.
Velocidad. Se obtienen velocidades muy elevadas en aplicaciones de herramientas de montaje (atornilladores, llaves, etc.) las velocidades de trabajo pueden alcanzar hasta 3
m/s.
Regulacin. Las velocidades y las fuerzas pueden regularse de manera continua y es-calonada, combinando con sistemas leo-neumticos. La regulacin es simple y fcil
de realizar.
Sobrecargas. Se puede llegar en los elementos neumticos de trabajo hasta su total pa-rada, sin riesgo de sobrecargas o tendencia al calentamiento.
Inconvenientes del aire comprimido
Preparacin. Es preciso eliminar impurezas (xidos, aceite del compresor, polvo, etc.) y humedades previas a su utilizacin, puesto que estos producirn un desgaste
prematuro de los elementos neumticos.
Velocidad. Debido a su gran compresibilidad, no se obtienen velocidades pequeas ni uniformes en los elementos de trabajo.
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Ruidos. El aire que escapa a la atmsfera produce a veces ruidos bastante molestos. Se superan mediante dispositivos silenciadores. Los ruidos del escape del aire
comprimido hacia la atmsfera pueden alcanzar fcilmente los 85 a 90 db. ruido
bastante desagradable en un ambiente laboral.
Esfuerzos. Son limitados (2.000 a 3.000 kilogramos con presin de trabajo de 7 kg/cm2). El aire comprimido es econmico solo hasta cierta fuerza, su lmite esta
tambin en funcin de la carrera y la velocidad.
Coste. Es una fuente de energa cara, pero compensada con el buen rendimiento y facilidad de implantacin.
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CCaappttuulloo 22
PPrriinncciippiiooss FFssiiccooss
Antes de proceder al clculo y razonamiento de algunos conceptos fundamentales bsicos
para su empleo como fuente de energa neumtica se precisan conocer algunas de las ca-
ractersticas fsicas del aire comprimido.
Aire
El aire es la mezcla de gases que envuelven la esfera terrestre formando la atmsfera y cuya
composicin volumtrica es la siguiente:
78% de nitrgeno.
20% de oxgeno.
1,3 % de argn.
0,05% de helio, hidrgeno, dixido de carbono, etc., y cantidades variables de agua y
polvo.
Peso Especfico
Es el peso por unidad de volumen. Para el aire es de 1,293 kg/m3 a 0 C y una atmsfera de
presin.
Volumen especfico
Es el volumen de la unidad de peso. Para el aire es de 0,773 m3/Kg. a 0 C y una atmsfera de
presin.
Presin
Es la fuerza por unidad de superficie que ejerce un lquido o un gas (en neumtica el aire)
-
IInngg.. PPaabbll
8
perpendicu
Sistema In
un newton
equivale a
Matemtic
que recibe
Princip
Cuando se
transmite c
siguiente fi
Experim
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oo EE MMoonnttaallvvoo JJ
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n por metro
760 mm de
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figura.
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JJaarraammiilllloo
a dicha supe
l de unidade
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demos decir
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a presin en
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la presin a
xperimento.
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es (SI), la p
s un pascal
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P
n un fluido
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P = P
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icelli
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.
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SFP =
(lquido o g
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3
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define com
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mo 101.325
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nombre de p
es 1,033 Kg
bsoluta
dividir tod
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denomina p
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Figura 2
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un dedo el
rio. Quitan
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g./cm2.
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2 Experimen
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extremo ab
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cerrado por
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ura de 76 cm
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r un extrem
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m.
nivel del m
trica norma
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.
ralmente se
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9
mo. Se llena
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al). El valor
rficie, entre
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9
a
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-
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Figura 3 Tipos de presin
Cuando se da una presin y salvo advertir lo contrario, segn normas CETOP1, se trata de
presin relativa.
En la figura 3 podemos observar un grfico relativo a las diversas presiones.
Unidades de Presin
La unidad SI (Sistema Internacional de Unidades) de la presin P es el Pascal (Pa).
1 Pa = 1 N/m
Tambin se admite como unidad legal el Bar.
1 bar = 100.000 Pa = Pa
Adems, en la prctica se utilizan an con frecuencia otras unidades antiguas.
Atmsfera tcnica at 1 at = 98.067 Pa
1 Comit Intergubernamental para las Transmisiones leo-hidrulicas y Pneumticas.
Presin de Vacio (negativa)
Presin Manomtrica (positiva)Presin Absoluta
Presin Absoluta
Presin Admosfrica
Cero Absoluto
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Tabla 1 Unidades de presin
Unidad Smbolo Equivalencia
Atmsfera fsica atm 1 atm = 101.330 Pa
Milmetros de columna de agua mm H2O 1 mm H2O = 9,8067 Pa
Kilopondio por metro cuadrado kp/m 1kp/m = 9,8067 Pa
Torr (Milmetros de columna de mercurio) Torr (mm Hg.) 1 Torr = 133,32 Pa
La unidad anglosajona es Pound per square
inch,
Psi
(ver nota 2)
1 Psi = 6894,8 Pa
Caudal
Caudal es la cantidad de fluido que pasa por una determinada seccin de un conducto por
unidad de tiempo.
tVQ =
Donde:
Q = caudal
V = volumen
t = tiempo
Existen dos formas de expresar el caudal:
1. Caudal msico. Cantidad de masa de un fluido que pasa por una seccin en la unidad
de tiempo.
2 Psi (libras por pulgada cuadrada).
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2. Caudal volumtrico. Volumen de fluido que pasa por una seccin en la unidad de
tiempo.
En ambos casos est relacionado con la densidad del fluido, que en los gases es variable con
la presin y la temperatura.
Cuando se habla de caudal de aire libre, es decir caudal volumtrico referido a la atmsfera
normal de referencia (ANR), nos estamos refiriendo a un caudal msico, puesto que en estas
condiciones normales la densidad es constante.
Conociendo la velocidad del fluido y la seccin de tubera por donde circula, se puede hallar
el caudal de la manera siguiente:
tAxLQ
tLv
AxLV
=
==
Donde:
V = volumen
A = seccin
L = longitud
v = velocidad
Calor y Temperatura
Calor
Es la transferencia de energa de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en
virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energa en trnsito; siempre fluye de una
zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura
de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga
constante. La energa no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura
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alta si no se realiza trabajo.3
Podemos decir tambin que el calor es la manifestacin de la energa que provoca variaciones
en algunas propiedades fsicas de los cuerpos. El calor pasa de un cuerpo caliente a otro fro
hasta que ambos adquieren la misma temperatura.
Temperatura
La sensacin de calor o fro al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad
de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado,
es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, es
imposible evaluar la magnitud absoluta de las temperaturas a partir de reacciones subjetivas.
Cuando se aporta calor a una sustancia, no slo se eleva su temperatura, con lo que
proporciona una mayor sensacin de calor, sino que se producen alteraciones en varias
propiedades fsicas que pueden medirse con precisin. Al variar la temperatura, las sustancias
se dilatan o se contraen, su resistencia elctrica cambia, y en el caso de un gas su presin
vara. La variacin de alguna de estas propiedades suele servir como base para una escala
numrica precisa de temperaturas (ver ms adelante).
La temperatura depende de la energa cintica media (o promedio) de las molculas de una
sustancia; segn la teora cintica, la energa puede corresponder a movimientos rotacionales,
vibracionales y traslacionales de las partculas de una sustancia. La temperatura, sin embargo,
slo depende del movimiento de traslacin de las molculas. En teora, las molculas de una
sustancia no presentaran actividad traslacional alguna a la temperatura denominada cero
absoluto.
ESCALAS DE TEMPERATURA
En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas estn la escala
Celsius (tambin conocida como escala centgrada), la escala Fahrenheit, la escala Kelvin, la
escala Rankine o la escala termodinmica internacional. En la escala Celsius, el punto de
3 Enciclopedia Microsoft Encarta 2007. 1993-1999 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.
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congelacin del agua equivale a 0 C, y su punto de ebullicin a 100 C. Esta escala se utiliza
en todo el mundo, en particular en el trabajo cientfico. La escala Fahrenheit se emplea en los
pases anglosajones para medidas no cientficas y en ella el punto de congelacin del agua se
define como 32 F y su punto de ebullicin como 212 F. En la escala Kelvin, la escala
termodinmica de temperaturas ms empleada, el cero se define como el cero absoluto de
temperatura, es decir, -273,15 C. La magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada
por K, se define como igual a un grado Celsius. Otra escala que emplea el cero absoluto como
punto ms bajo es la escala Rankine, en la que cada grado de temperatura equivale a un grado
en la escala Fahrenheit. En la escala Rankine, el punto de congelacin del agua equivale a 492
R, y su punto de ebullicin a 672 R.
Figura 4 Escalas de temperatura
En 1933, cientficos de treinta y una naciones adoptaron una nueva escala internacional de
temperaturas, con puntos fijos de temperatura adicionales basados en la escala Kelvin y en
principios termodinmicos. La escala internacional emplea como patrn un termmetro de
resistencia de platino (cable de platino) para temperaturas entre -190 C y 660 C. Desde los
660 C hasta el punto de fusin del oro (1.063 C) se emplea un termopar patrn: los
termopares son dispositivos que miden la temperatura a partir de la tensin producida entre
dos alambres de metales diferentes. Ms all del punto de fusin del oro las temperaturas se
miden mediante el llamado pirmetro ptico, que se basa en la intensidad de la luz de una
373
273
212
32
100
0
Kelvin Fahrenheit Centigrado
-
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frecuencia determinada que emite un cuerpo caliente.4
Caractersticas fundamentales de los gases
Los gases presentan las siguientes caractersticas:
El aire no tiene forma determinada y tiende a repartirse uniformemente dentro del recipiente que los contiene.
La presin de un gas encerrado en un recipiente se encuentra en equilibrio en todos los puntos de su masa y mantiene la misma presin en cualquier punto del recipiente.
La densidad de un gas depende de su presin y temperatura.
La masa de un gas opone muy poca resistencia a los esfuerzos de corte.
El aire permite ser comprimido (compresin) y tiene tendencia a la dilatacin (expansin).
Ley de BoyIe - Mariotte
A temperatura constante, la presin de un gas es inversamente proporcional a su volumen, es
decir, el producto de la presin absoluta por el volumen es una constante para una de-
terminada masa de gas.
EJEMPLO:
En la figura siguiente consideramos que la presin es de 1 Kg./cm2 y el volumen de 1 m3. Se
ejerce una fuerza que comprime el aire hasta que ocupe un volumen de 0,5 m3. Suponiendo
que la temperatura ha permanecido inalterable durante el proceso de compresin,
calcularemos la presin P1.
4"Calor," Enciclopedia Microsoft Encarta 2007. 1993-1999 Microsoft Corporation.
-
IInngg.. PPaabbll
16
De donde
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F
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1
1
VPxV ==
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VV
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32
5.0
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e gas vara p
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11 T
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-
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Siendo
VT1 = volumen a la temperatura T1.
VT2 = Volumen a la temperatura T2.
EJEMPLO
Disponemos de 0,5 m3 de aire a la temperatura T1 = 290 K (17 C); aumenta la temperatura
hasta T2 = 350 K (77 C). Cul ser el volumen que ha adquirido el aire a esta ltima
temperatura? Aplicando la ley de Gay-Lussac, tendremos:
32
2
2
121
12
m 7.0
2.05.0
)290350(273
5.05.0
)(273
=+=
+=
+=
VTVT
VT
TTVTVTVT
El aire se ha dilatado de 0.5 a 0.7 m3.
Aplicacin de las leyes explicadas
EJEMPLO:
Disponemos de un depsito de 4 m3 de aire a una presin de 7 bar y una temperatura de 300 K
(27 C). Qu cantidad de aire en condiciones normales contiene?
Aplicando la ley de BoyIe-Mariotte, tendremos:
P = Presin atmosfrica = 1 bar.
P1 = Presin relativa dentro del depsito = 7 bar.
V = Volumen a la presin P.
V1 = 4 m3.
11xVPPxV =
-
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De donde
k 300 a libre aire m 28bar 1
m 4 bar 7
3
3
11
==
=
V
xV
PxVPV
Calcularemos a continuacin el volumen del aire a temperatura normal (273 K = 0 C).
Aplicando la ley de Gay-Lussac, tendremos:
30
0
0
00
Nm 2.258.228
)300273(2732828
)(273
==
+=
+=
VV
V
TTVVV
-
IInn
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1
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oodduucccc
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CC
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IInngg.. PPaabbll
20
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Figur
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IInngg.. PPaabbll
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Aire
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23
Secado del aire
Al igual que el polvo y partculas que se encuentran en la atmsfera tambin se encuentra la
humedad que al comprimir el aire se condensa formando gotas de agua que se van
depositando en el fondo del compresor el mismo que es necesario drenar peridicamente,
pero, algunas gotas de agua se mezclan con el aire comprimido que sale del compresor hacia
su utilizacin, humedad que es muy perjudicial por lo que es aconsejado secar el aire
comprimido antes de su utilizacin.
Existen varios mtodos de secado del aire comprimido los mismos que vamos a indicar a
continuacin.
Secado por absorcin
El secado por absorcin es un procedimiento puramente qumico. El aire comprimido pasa a
travs de un lecho de sustancias secantes. En cuanto el agua o vapor de agua entra en contacto
con dicha sustancia, se combina qumicamente con sta y se desprende como mezcla de agua
y sustancia secante.
-
IInngg.. PPaabbll
24
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26
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32
Para evitar este inconveniente se instala un acumulador a la salida del compresor, que debe
estar dimensionado de acuerdo con el mximo caudal instantneo de la instalacin.
Figura 23 Acumulador de aire
Los acumuladores pueden montarse vertical u horizontalmente. Para ser instalados, deben
estar provistos de:
Manmetro
Vlvula de seguridad
Grifo de purga (para evacuar el agua acumulada)
Puerta de registro
Placa de caractersticas.
Los acumuladores son de chapa de acero. Pueden situarse en puntos alejados si las
circunstancias as lo aconsejan. Se instalan al descubierto para facilitar el enfriamiento del
aire antes de su paso a las tuberas de distribucin. El acumulador ms perfecto y mejor
situado es el que enfra el aire a la temperatura ambiente.
Los acumuladores presentan algunas ventajas como las siguientes:
-
IInngg.. PPaabblloo EE MMoonnttaallvvoo JJaarraammiilllloo
33
Reducen los efectos de las pulsaciones en los compresores de mbolos, con lo que se regulariza el trabajo de mquinas accionadas con aire comprimido.
Siendo la capacidad adecuada, atiende con rapidez a las demandas extraordinarias de aire que suelen hacerse momentneamente.
Proporcionan al aire comprimido la oportunidad de tranquilizarse para que el agua, polvo y aceite puedan separarse.
Gracias a la gran superficie del acumulador el aire se refrigera antes de que pase a las tuberas, condensndose en ellas la mayor parte de la humedad.
Permite que los motores de arrastre de los compresores trabajen en forma intermitente, ahorrando por tanto energa y alargando sus horas de funcionamiento.
Distribucin del Aire Comprimido.
La distribucin del aire comprimido desde el equipo productor hasta el consumidor no debe
descuidarse nunca, pues como resultado de la racionalizacin y automatizacin, las empresas
precisan continuamente una mayor cantidad de aire. Cada mquina y mecanismo necesita una
determinada cantidad de aire, siendo abastecido por un compresor, a travs de una red de
tuberas.
El dimetro de las tuberas debe elegirse de manera que si el consumo aumenta, las prdidas
de presin entre el acumulador y el consumidor no sobrepasen 10 kpa (1 bar). En la
planificacin de instalaciones nuevas debe preverse una futura ampliacin de la demanda de
aire, por cuyo motivo debern dimensionarse generosamente las tuberas.
Dimensionado de las Tuberas.
Las tuberas de aire comprimido pueden tener desde algunos mm. de dimetro interior hasta
varios cm. pudiendo ser de goma, plstico, nylon o metal. La seleccin del dimetro interior
de la tubera no deber elegirse conforme a otros tubos existentes, ni con regla emprica
existente, sino en conformidad con:
El caudal
-
IInngg.. PPaabblloo EE MMoonnttaallvvoo JJaarraammiilllloo
34
La longitud de las tuberas
La prdida admisible de presin
La presin de trabajo
La cantidad de estrangulamientos en la red
En la prctica se utilizan los valores reunidos con la experiencia. El siguiente monograma
ayuda a encontrar el dimetro de la tubera de formas rpida y sencilla.
Figura 24 Abaco para seleccin de tuberas para aire
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