Neumatica Industrial Festo

NEUMATICA

Fernando Ballén Cárdenas

CONVENIO

NEUMATICA INDUSTRIAL 1

INTRODUCCION

Ante la gran aplicación industrial que tiene la técnica neumática de mando, surge la necesidad de capacitar al personal que trabaja directa o indirectamente con maquinaria, dispositivos y equipos que utilizan el aire comprimido como elemento para transmitir energía y o señales de control. Con el fin de plantear una alternativa de formación al personal en mención, se han diseñado los cursos de extensión académica, dirigidos a los estudiantes de la institución, técnicos, tecnólogos y profesionales que en su campo de trabajo interactúen con ésta tecnología. Para facilitar el aprendizaje se ha optado por el método TEORICO-PRACTICO, apoyándose en estas guías que sirven de soporte teórico y bibliográfico al curso de extensión. En este material se presenta un esbozo general de cada tema, haciendo énfasis en los puntos más aplicables en la práctica y que se presentan de forma didáctica (figuras y gráficos) para facilitar su comprensión y posterior aplicación. Adicionalmente, se trabaja sobre bancos de prueba que son herramientas de gran utilidad para facilitar el montaje y ensamblaje de circuitos propuestos, por los participantes.

NEUMATICA BASICA

UNIDAD 1.


PRINCIPIOS BASICOS DE LA NEUMATICA 1.1. INTRODUCCION A LA NEUMATICA El aire comprimido es conocido por el hombre desde épocas remotas, ya que escritos que datan del siglo I de la era cristiana, mencionan la utilización del aire comprimido para la obtención de energía y específicamente el accionamiento de mecanismos mediante aire caliente. Sin embargo solo hasta el siglo pasado se empezó a estudiar e investigar el comportamiento y las propiedades del aire comprimido, llegando a tener aplicaciones en procesos industriales desde la decada de los 50, cuando se descubrió la facilidad de racionalizar y automatizar a través de la técnica neumática. El aire comprimido ha experimentado en estos últimos tiempos un auge inusitado debido a su alto poder de adaptación a cualquier sistema de trabajo organizado, siendo evidente que sus cualidades innatas lo hacen recomendable para ejecutar labores que difícilmente pueden cubrir otras energías que carezcan de la flexibilidad que lleva implícita el aire comprimido. Los términos neumático y neumática se derivan de la expresión griega pneuma, que significa hálito, soplo, aire. El aire para las aplicaciones de la neumática lo obtenemos del manto gaseoso con el que está envuelta la tierra y especialmente, de la parte mas cercana llamada troposfera. 1.1.1. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL AIRE COMPRIMIDO El ser humano, sin saberlo, lleva representado en sus pulmones el compresor mas antiguo de la historia y el mas natural, pudiendo tratar 100 litros de aire por minuto, ejercen una presión de 0,02 - 0,08 bar. En estado de salud normal, este compresor humano posee una seguridad inigualable y los costos de funcionamiento son casi nulos. La impulsión del aire para conseguir un fin útil, figura inmerso desde épocas prehistóricas en las vivencias del hombre, ejemplos: Los cazadores utilizando la cerbatana para lanzar una flecha, la acción de soplar para encender y activar el fuego; actualmente el inflar una bomba para el adorno de eventos familiares, etc. Como primer compresor mecánico se puede citar el fuelle manual, que no fue inventado hasta el tercer milenio antes de Cristo y el fuelle de pie, que no comenzó a emplearse hasta unos mil quinientos años antes de nuestra Era. Las primeras máquinas soplantes sirvieron para suministrar aire de combustión a los hornos de fundición y en la ventilación de explotaciones mineras. El conocimiento y las aplicaciones empleando aire comprimido, tomaron consistencia científica a partir de la segunda mitad del siglo XVII, cuando el estudio de los gases es el objeto de científicos como Torricelli, Pascal, Boyle, Marriotte, Gay Lussac, etc, desarrollando formulaciones prácticas para lograr una mayor eficiencia en el uso de esta técnica.


Los sucesos mas notables acaecidos en el avance del manejo del aire comprimido podemos resumirlos, por orden cronológico como sigue: 1650. Otto Von Guericke inventa la bomba de aire. 1688. Denis Papin sugiere la utilización del aire por tubos neumáticos. 1717. El Dr. Edmund Halley descubre la campana de buzo. 1762. John Smeaton crea el cilindro soplante. 1776. La primera máquina soplante de la historia salió de Wilkinson y fue instalada en su factoría de Wilby, en Inglaterra, siendo el prototipo de todos los compresores mecánicos. 1800. Comienza a estudiarse el empleo del aire comprimido como medio de transmisión de energía, al comprobar que el vapor, debido a su rápido enfriamiento y condensación, solo podía emplearse en distancias cortas. 1810. M. Medhurst construye un compresor. 1822. Jalabert, en Francia, obtiene la primera patente para un motor de aire comprimido. 1845. Triger envía el aire comprimido al fondo de una mina francesa, a una profundidad de 160 m. 1851. J.W. Fowle inventa el perforador a percusión. 1857. La primera gran prueba de utilización del aire comprimido en gran escala fue con motivo de la perforación del túnel de Mont-Cenis, en los Alpes suizos, para el ferrocarril de doble vía, con una longitud de 13,6 Km. 1861. German Sommeiller, ingeniero jefe de túnel, construyó sus propias perforadoras de percusión que fueron utilizadas en este túnel, siendo 40 las personas que trabajaron en el vagón perforador. 1865. Fue construida la instalación de correo neumático de París. Viena y Berlín le siguieron en el transcurso de los años 1874 y 1875. 1869. Westinghouse inscribe la patente de invención del freno de aire comprimido. 1881. Se instaló en París una central de producción de aire comprimido para el mando de un nuevo tipo de reloj que siempre marcaba la hora exacta, accionado por los impulsos de aire que llegaban desde la planta. Este sistema de reloj se introdujo rápidamente hasta llegar a tener unos 800 relojes repartidos en toda la capital. 1888. Funciona en París la primera central de compresores. Víctor Popp había obtenido permiso para utilizar el sistema de alcantarillado y montar una red distribuidora de aire comprimido que se extendería por toda la ciudad. 1891. El profesor Riedler construyó, para esta instalación, el primer gran compresor de dos escalones.


1891. Se suscitaron vivas controversias sobre la rentabilidad del aire comprimido como fuerza motriz en competencia con la máquina de vapor, el motor de gas y la electricidad. 1934. El profesor Lysholm presenta en Suecia su patente del compresor de tornillo, con dos rotores circulares. Por el año 1878 se mostró en Alemania un compresor helicoidal que consta de un solo rotor tallado en forma helicoidal. A partir de la patente inicial, hasta que tomó forma industrial, sucedieron varias modificaciones. 1950. A principios de la década de los 50 la producción de compresores a tornillo se realiza en cantidades considerables, no cejando en su experimentación hasta encontrar el diseño actual de los compresores a tornillo. 1965. Aparece el término fluídica, que se empleó específicamente por vez primera en un artículo especial aparecido el 8 de febrero de 1965, publicado por Missiles and Rockets. La investigación sobre el campo de las aplicaciones del aire comprimido no han terminado aún. Los robots neumáticos de manipulación manual, los autómatas programables y otras diversas presentaciones de tecnologías, no han hecho perder en nada, el atractivo de la neumática en la nueva generación tecnológica. 1.1.2. VENTAJAS DEL AIRE COMPRIMIDO • Transportable. Debido a su compresibilidad se puede almacenar y

transportar en recipientes o a través de tuberías. • Limpio. No produce residuos contaminantes lo que permite utilizarlo

en muchas industrias como laboratorio, de alimentos, textiles entre otros.

• Rápido. Permite elevadas velocidades de trabajo que pueden ser

facilmente regulables. • Antideflagrante. No produce riesgo de explosión ni incendio. • Abundante. Existe en grandes cantidades en cualqier parte del

mundo . • Temperatura. El aire comprimido no pierde eficiencia aún a

temperaturas elevadas. • Sobrecargable. No hay riesgo de averiar elementos neumáticos de

trabajo, puesto que estos paran en caso de sobrecarga de los sistemas.

1.1.3. LIMITANTES DEL AIRE COMPRIMIDO • Fuerza. Presenta limitación por carga, máximo 2 toneladas. • Preparación. Requiere procesos y elementos costosos para eliminar

la humedad que contiene, ya que puede causar daños a elementos de trabajo e inclusive al mismo proceso en que se encuentre implicado.

• Ruido. presenta elevados niveles de ruido en los exostos.


• Compresibilidad. Debido a esta no se pueden obtener movimientos

uniformes ni precisos. 1.1.4. COMPOSICION DEL AIRE COMPRIMIDO El aire se obtiene naturalmente tomándolo de la tropósfera y está constituído básicamente por: aproximadamente 78% de nitrógeno en volumen 21% de oxígeno 1% de bióxido de carbono, monóxido de carbono, vapor de agua y los gases nobles ( helio, neón, argón, criptón, zenón, radón ). La densidad del aire en esta capa es de 1,293 Kg./m3. Esto sin contar los demás gases contaminantes que a diario se expelen a la atmósfera. Para manejar fácilmente la tecnología neumática, se deben conocer muy bien los siguientes conceptos físicos: Presión, Caudal, Temperatura y Humedad. 1.2. PRESION Se define como la FUERZA POR UNIDAD DE AREA. Por ejemplo, dentro de una jeringa que contenga aire, la presión a la que este estará sometido, es la relación entre la fuerza que se aplica sobre el émbolo y el área del mismo, es decir: Fuerza PRESION = ------------ Area Cuyas unidades de medida son el Pascal (Pa) = N / m2 el Bar = 105 Pa ó; en unidades inglesas - psi = 1lb / plg2

• Patm: Presión Atmosférica se origina por el peso de las capas de aire de la atmósfera. Varía según las condiciones climáticas y según la altura sobre el nivel del mar. Su valor allí es de 1.013 bar o 760 mm de Hg (mercurio), se mide con un aparato llamado


Barómetro por lo que se le llama también Presión Barométrica. Se debe tener en cuenta el cálculo de la fuerza de la presión atmosférica en función de la altura del lugar de trabajo, respecto al nivel del mar. Hasta 2000m de altura la presión se reduce cerca del 1%, cada 100 metros. El mérito de haber determinado experimentalmente el valor de la Presión Atmosférica, se lo debemos a Evangelista Torricelli y Vincenzo Viviani, ambos discípulos de Galileo Galilei.

• Prel : Presión Relativa o Sobre Presión, es la que se origina en una tubería por compresión del fluído allí conducido. Es la presión que comunmente se mide y controla en un sistema neumático o hidráulico. Para medirla se utiliza el manómetro de allí que tambien se le llama Presión Manométrica.

• Pabs : Presión Absoluta es la que se toma como punto de referencia al cero absoluto y corresponde a la suma algebráica de la Presión Atmosférica y la Presión Relativa.

• Pvac : Subpresión o Presión de Vacío, cuando el valor de la Presión Relativa está por debajo de la atmosférica. En este caso corresponde a la presión de succión en un compresor, en un ventilador o en una bomba hidráulica.

Fisicamente hay solamente una clase de Presión y esa es la que comienza desde 0 ó vacío absoluto. Todo por encima de cero ( 0 ) es presión y correctamente llamada presión absoluta. La presión atmosférica normal es usada como factor de referencia, por lo cual, se usan las palabras presión positiva ó presión negativa. El vacío se emplea como técnica para el transporte de materiales y tiene a su vez todo un tratado acerca de esta tecnología. La presión que comunmente se utiliza es la relativa o manométrica. Para medirla se usa entre otros el manómetro de tipo tubo Bourdon, cuyo esquema de funcionamiento se muestra en la Figura 1.

1.3. CAUDAL Se define el caudal como el volúmen de aire que fluye en la unidad de tiempo. En el sistema internacional S.I., la unidad de medida es el m3 /s, pero se utilizan también otras unidades de menor magnitud como el l /min o en el sistema inglés el pie3 /min o cfm. En los equipos de generación de aire comprimido ( compresores ) se indica su capacidad de acuerdo al caudal que producen. Este valor siempre corresponde al volúmen de aire aspirado por la máquina a presión cero, el cual se indica de acuerdo a la unidad de medida como: Nm3 /s o Nl /min o Scfm. Si se quiere calcular el caudal de un compresor del cual solo conocemos la potencia del motor que lo acciona, se utiliza la relación aproximada de 1hp = 4 Scfm. Este valor lo da la práctica y sirve para formarse una idea de la capacidad de un compresor.


1.4. LEYES DE LOS GASES Todos los cuerpos aeriformes, es decir los gases, tienden a expandirse y comprimirse de acuerdo al estado de sometimiento en que se encuentren. A pesar de ser una mezcla de varios gases, el aire se comporta como cualquier gas simple es compresible y ocupa todo el espacio del recipiente que lo contenga, determinando por demas que cumple con la ley general de los gases, teniendo ademas relación directa a los cambios de Presión, Volúmen y Temperatura.


Figura1. MANOMETRO DE TUBO BOURDON TIPO ´C´

1.4.1. LEY DE BOYLE - MARIOTTE: Es la ley que relaciona el volumen con la presión, de modo que si un gas es obligado a ocupar un volumen inferior al que originalmente lo contiene, este aumentará su presión en forma directa y proporcional a la disminución de volumen, es decir, si la presión se duplica, el volumen de la masa gaseosa se reduce a la mitad; igualmente si la presión se reduce a un tercio, el volumen de la masa gaseosa se triplica. Este proceso requiere que la temperatura sea constante ( isotérmico ) . El volúmen ocupado por una masa a temperatura constante es inversamente proporcional a la presión a la que se encuentre sometida. ( Ver Figura 2 ).

P1.V1 = P2.V2 P1 V1 P2 V2

Figura 2. LEY DE BOYLE - MARIOTTE

EJERCICIO: - Un tanque de volumen igual a 2m3 contiene aire ( u otro gas ) a la presión de 5 BAR. ¿ Que cantidad de aire libre está contenida en el tanque ? Presión inicial P1 = 5 BAR Volumen inicial V1 = 2 m

3

Presión final P2 = 1 BAR Volumen final V2 = ? Transcribamos la fórmula y después sustituyamos los símbolos por los valores numéricos dados en el problema; la incógnita es decir, el volumen final lo indicaremos con la letra X. 5 . 2 P1 . V1 = P2 . V2 5 BAR . 2 m

3 = 1 BAR . X X = = 10 m3


1 1.4.2. LEY DE GAY - LUSSAC : Esta ley relaciona la temperatura con el volúmen ocupado por el gas, de modo que el volúmen es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas. Para ello se requiere que el proceso sea a presión constante ( isobárico ). Ver Figura 3. V1 T1 ----- = ----- = CONSTANTE V2 T2

RECIPIENTE CERRADO AIRE CALOR

Figura 3. LEY DE GAY - LUSSAC

Todos los cuerpos, cualquiera que sea su estado ( sólido, líquido ó gaseoso ), experimentan cambios en su volúmen cuando son sometidos a cambios de Temperatura. Esto intuye, por lo tanto, que una variación de Temperatura producirá efectos no solamente sobre el volúmen sino también sobre la presión. EJERCICIO

Un gas ocupa 0,5 m3 en un recipiente, a un valor de temperatura de 250 ºF. ¿ Cual será

su volúmen a 350 ºF si la presión se mantiene constante ? V1 = 0,5 m

3 T1 = 250 ºF V2 = ? T2 = 350 ºF Sustituyendo los valores conocidos tenemos: V1 : V2 = T1 : T2 0,5 : V2 = 250 : 350

0,5 m3 . 350 V2 = -------------------- = 0.7 m

3

250


ECUACION GENERAL DE ESTADO. De las anteriores leyes se deduce entonces la ecuación general de estado de los gases, la cual se usa para el cálculo de gases ideales. P1 . V1 P2 . V2 --------- = ---------- = CONSTANTE T1 T2 que se usa para el cálculo de gases ideales. 1.5. HUMEDAD Además del N2, el O2 y los gases nobles, el aire contiene también vapor de agua cuya proporción depende básicamente de las condiciones climatológicas y de la temperatura del aire. Para cuantificarla se usan tres conceptos básicos como son: • HUMEDAD MAXIMA. Es la cantidad extrema posible de vapor de agua

en un volúmen de aire, a determinada temperatura. Se denomina tambien grado de saturación (temperatura del punto de rocío). Para determinarlo se emplea la gráfica de humedad máxima. Ver Figura 4.

• HUMEDAD ABSOLUTA. Es el contenido real de vapor de agua por unidad

de volumen. • HUMEDAD RELATIVA. Es la relación entre humedad absoluta y humedad

máxima, se indica en porcentaje (%). H. absoluta H. Relativa = --------------- x 100 (%) H. máxima


Figura 4. GRAFICO DE HUMEDAD MAXIMA

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