NEUMATICA
Fernando Balln Crdenas
CONVENIO
INTRODUCCION
Ante la gran aplicacin industrial que tiene la tcnica neumtica
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 energa y
o seales de control. Con el fin de plantear una alternativa de
formacin al personal en mencin, se han diseado los cursos de
extensin acadmica, dirigidos a los estudiantes de la institucin,
tcnicos, tecnlogos y profesionales que en su campo de trabajo
interacten con sta tecnologa. Para facilitar el aprendizaje se ha
optado por el mtodo TEORICO-PRACTICO, apoyndose en estas guas que
sirven de soporte terico y bibliogrfico al curso de extensin. En
este material se presenta un esbozo general de cada tema, haciendo
nfasis en los puntos ms aplicables en la prctica y que se presentan
de forma didctica (figuras y grficos) para facilitar su comprensin
y posterior aplicacin. 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.
NEUMATICA INDUSTRIAL
1
PRINCIPIOS
BASICOS DE LA NEUMATICA
1.1. INTRODUCCION A LA NEUMATICAEl aire comprimido es conocido
por el hombre desde pocas remotas, ya que escritos que datan del
siglo I de la era cristiana, mencionan la utilizacin del aire
comprimido para la obtencin de energa y especficamente el
accionamiento de mecanismos mediante aire caliente. Sin embargo
solo hasta el siglo pasado se empez 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 descubri la facilidad de racionalizar y automatizar a
travs de la tcnica neumtica. El aire comprimido ha experimentado en
estos ltimos tiempos un auge inusitado debido a su alto poder de
adaptacin a cualquier sistema de trabajo organizado, siendo
evidente que sus cualidades innatas lo hacen recomendable para
ejecutar labores que difcilmente pueden cubrir otras energas que
carezcan de la flexibilidad que lleva implcita el aire comprimido.
Los trminos neumtico y neumtica se derivan de la expresin griega
pneuma, que significa hlito, soplo, aire. El aire para las
aplicaciones de la neumtica lo obtenemos del manto gaseoso con el
que est envuelta la tierra y especialmente, de la parte mas cercana
llamada troposfera.
1.1.1. EVOLUCIN HISTRICA DEL AIRE COMPRIMIDOEl 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 presin 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
impulsin del aire para conseguir un fin til, figura inmerso desde
pocas prehistricas en las vivencias del hombre, ejemplos: Los
cazadores utilizando la cerbatana para lanzar una flecha, la accin
de soplar para encender y activar el fuego; actualmente el inflar
una bomba para el adorno de eventos familiares, etc. Como primer
compresor mecnico se puede citar el fuelle manual, que no fue
inventado hasta el tercer milenio antes de Cristo y el fuelle de
pie, que no comenz a emplearse hasta unos mil quinientos aos antes
de nuestra Era. Las primeras mquinas soplantes sirvieron para
suministrar aire de combustin a los hornos de fundicin y en la
ventilacin de explotaciones mineras. El conocimiento y las
aplicaciones empleando aire comprimido, tomaron consistencia
cientfica a partir de la segunda mitad del siglo XVII, cuando el
estudio de los gases es el objeto de cientficos como Torricelli,
Pascal, Boyle, Marriotte, Gay Lussac, etc, desarrollando
formulaciones prcticas para lograr una mayor eficiencia en el uso
de esta tcnica.
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Los sucesos mas notables acaecidos en el avance del manejo del
aire comprimido podemos resumirlos, por orden cronolgico como
sigue: 1650. Otto Von Guericke inventa la bomba de aire. 1688.
Denis neumticos. Papin sugiere la utilizacin del aire por tubos
1717. El Dr. Edmund Halley descubre la campana de buzo. 1762.
John Smeaton crea el cilindro soplante. 1776. La primera mquina
soplante de la historia sali de Wilkinson y fue instalada en su
factora de Wilby, en Inglaterra, siendo el prototipo de todos los
compresores mecnicos. 1800. Comienza a estudiarse el empleo del
aire comprimido como medio de transmisin de energa, al comprobar
que el vapor, debido a su rpido enfriamiento y condensacin, solo
poda 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 enva el aire
comprimido al fondo de una mina francesa, a una profundidad de 160
m. 1851. J.W. Fowle inventa el perforador a percusin. 1857. La
primera gran prueba de utilizacin del aire comprimido en gran
escala fue con motivo de la perforacin del tnel de Mont-Cenis, en
los Alpes suizos, para el ferrocarril de doble va, con una longitud
de 13,6 Km. 1861. German Sommeiller, ingeniero jefe de tnel,
construy sus propias perforadoras de percusin que fueron utilizadas
en este tnel, siendo 40 las personas que trabajaron en el vagn
perforador. 1865. Fue construida la instalacin de correo neumtico
de Pars. Viena y Berln le siguieron en el transcurso de los aos
1874 y 1875. 1869. Westinghouse inscribe la patente de invencin del
freno de aire comprimido. 1881. Se instal en Pars una central de
produccin 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 rpidamente hasta llegar a tener unos 800 relojes
repartidos en toda la capital. 1888. Funciona en Pars la primera
central de compresores. Vctor Popp haba obtenido permiso para
utilizar el sistema de alcantarillado y montar una red
distribuidora de aire comprimido que se extendera por toda la
ciudad. 1891. El profesor Riedler construy, para esta instalacin,
el primer gran compresor de dos escalones.
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1891. Se suscitaron vivas controversias sobre la rentabilidad
del aire comprimido como fuerza motriz en competencia con la mquina
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 ao 1878 se mostr en Alemania un
compresor helicoidal que consta de un solo rotor tallado en forma
helicoidal. A partir de la patente inicial, hasta que tom forma
industrial, sucedieron varias modificaciones. 1950. A principios de
la dcada de los 50 la produccin de compresores a tornillo se
realiza en cantidades considerables, no cejando en su
experimentacin hasta encontrar el diseo actual de los compresores a
tornillo. 1965. Aparece el trmino fludica, que se emple
especficamente por vez primera en un artculo especial aparecido el
8 de febrero de 1965, publicado por Missiles and Rockets. La
investigacin sobre el campo de las aplicaciones del aire comprimido
no han terminado an. Los robots neumticos de manipulacin manual,
los autmatas programables y otras diversas presentaciones de
tecnologas, no han hecho perder en nada, el atractivo de la
neumtica en la nueva generacin tecnolgica.
1.1.2. VENTAJAS DEL AIRE COMPRIMIDO Transportable. Debido a su
compresibilidad se puede almacenar y transportar en recipientes o a
travs de tuberas. Limpio. No produce residuos contaminantes lo que
permite utilizarlo en muchas industrias como laboratorio, de
alimentos, textiles entre otros. Rpido. Permite elevadas
velocidades de trabajo facilmente regulables. que pueden ser
Antideflagrante. No produce riesgo de explosin ni incendio.
Abundante. mundo . Existe en grandes cantidades en cualqier parte
del comprimido no pierde eficiencia an a
Temperatura. El aire temperaturas elevadas.
Sobrecargable. No hay riesgo de averiar elementos neumticos de
trabajo, puesto que estos paran en caso de sobrecarga de los
sistemas.
1.1.3. LIMITANTES DEL AIRE COMPRIMIDO Fuerza. Presenta limitacin
por carga, mximo 2 toneladas. Preparacin. Requiere procesos y
elementos costosos para eliminar la humedad que contiene, ya que
puede causar daos a elementos de trabajo e inclusive al mismo
proceso en que se encuentre implicado. Ruido. presenta elevados
niveles de ruido en los exostos.
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Compresibilidad. Debido a esta no se pueden obtener movimientos
uniformes ni precisos.
1.1.4. COMPOSICION DEL AIRE COMPRIMIDOEl aire se obtiene
naturalmente tomndolo de constitudo bsicamente por: aproximadamente
la tropsfera y est
78% de nitrgeno en volumen 21% de oxgeno 1% de bixido de
carbono, monxido de carbono, vapor de agua y los gases nobles (
helio, nen, argn, criptn, zenn, radn ). La densidad del aire en
esta capa es de 1,293 Kg./m3. Esto sin contar los dems gases
contaminantes que a diario se expelen a la atmsfera. Para manejar
fcilmente la tecnologa neumtica, se deben conocer muy bien los
siguientes conceptos fsicos: Presin, Caudal, Temperatura y
Humedad.
1.2. PRESIONSe define como la FUERZA POR UNIDAD DE AREA. Por
ejemplo, dentro de una jeringa que contenga aire, la presin a la
que este estar sometido, es la relacin entre la fuerza que se
aplica sobre el mbolo y el rea del mismo, es decir: PRESION =
Fuerza -----------Area
Cuyas unidades de medida son el Pascal (Pa) = N / m2 el Bar =
105 Pa ; en unidades inglesas - psi = 1lb / plg2
atm: Presin Atmosfrica se origina por el peso de las capas de
aire de la atmsfera. Vara segn las condiciones climticas y segn la
altura sobre el nivel del mar. Su valor all es de 1.013 bar o 760
mm de Hg (mercurio), se mide con un aparato llamado
P
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Barmetro por lo que se le llama tambin Presin Baromtrica. Se
debe tener en cuenta el clculo de la fuerza de la presin atmosfrica
en funcin de la altura del lugar de trabajo, respecto al nivel del
mar. Hasta 2000m de altura la presin se reduce cerca del 1%, cada
100 metros. El mrito de haber determinado experimentalmente el
valor de la Presin Atmosfrica, se lo debemos a Evangelista
Torricelli y Vincenzo Viviani, ambos discpulos de Galileo
Galilei.
Prel
: Presin Relativa o Sobre Presin, una tubera por compresin del
fludo all que comunmente se mide y controla en hidrulico. Para
medirla se utiliza el tambien se le llama Presin Manomtrica.
es la que se origina en conducido. Es la presin un sistema
neumtico o manmetro de all que
Pabs P
: Presin Absoluta es la que se toma como punto de referencia al
cero absoluto y corresponde a la suma algebrica de la Presin
Atmosfrica y la Presin Relativa.
vac : Subpresin o Presin de Vaco, cuando el valor de la Presin
Relativa est por debajo de la atmosfrica. En este caso corresponde
a la presin de succin en un compresor, en un ventilador o en una
bomba hidrulica.
Fisicamente hay solamente una clase de Presin y esa es la que
comienza desde 0 vaco absoluto. Todo por encima de cero ( 0 ) es
presin y correctamente llamada presin absoluta. La presin
atmosfrica normal es usada como factor de referencia, por lo cual,
se usan las palabras presin positiva presin negativa. El vaco se
emplea como tcnica para el transporte de materiales y tiene a su
vez todo un tratado acerca de esta tecnologa. La presin que
comunmente se utiliza es la relativa o manomtrica. Para medirla se
usa entre otros el manmetro de tipo tubo Bourdon, cuyo esquema de
funcionamiento se muestra en la Figura 1.
1.3. CAUDALSe define el caudal como el volmen 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 tambin otras unidades de
menor magnitud como el l /min o en el sistema ingls el pie3 /min o
cfm. En los equipos de generacin de aire comprimido ( compresores )
se indica su capacidad de acuerdo al caudal que producen. Este
valor siempre corresponde al volmen de aire aspirado por la mquina
a presin 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 relacin aproximada de 1hp = 4 Scfm. Este
valor lo da la prctica y sirve para formarse una idea de la
capacidad de un compresor.
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1.4. LEYES DE LOS GASESTodos 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 relacin directa a los cambios de Presin, Volmen y
Temperatura.
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MANOMETRO DE TUBO BOURDON TIPO C 1.4.1. LEY DE BOYLE - MARIOTTE:
Es la ley que relaciona el volumen con la presin, de modo que si un
gas es obligado a ocupar un volumen inferior al que originalmente
lo contiene, este aumentar su presin en forma directa y
proporcional a la disminucin de volumen, es decir, si la presin se
duplica, el volumen de la masa gaseosa se reduce a la mitad;
igualmente si la presin se reduce a un tercio, el volumen de la
masa gaseosa se triplica. Este proceso requiere que la temperatura
sea constante ( isotrmico ) . El volmen ocupado por una masa a
temperatura constante es inversamente proporcional a la presin a la
que se encuentre sometida. ( Ver Figura 2 ).
Figura1.
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 presin de 5 BAR. Que cantidad de aire libre est
contenida en el tanque ? Presin inicial P1 = 5 BAR inicial V1 = 2
m3 Presin final P2 = 1 BAR V2 = ? Volumen Volumen final
Transcribamos la frmula y despus sustituyamos los smbolos por
los valores numricos dados en el problema; la incgnita es decir, el
volumen final lo indicaremos con la letra X.
5 . 2 P1 . V1 = P2 . V2 = 10 m3
5 BAR . 2 m3 = 1 BAR .
X
X
=
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1
1.4.2. LEY DE GAY - LUSSAC : Esta ley relaciona la temperatura
con el volmen ocupado por el gas, de modo que el volmen es
directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas. Para
ello se requiere que el proceso sea a presin constante ( isobrico
). Ver Figura 3.
V1 ----V2
=
T1 ----T2
=
CONSTANTE
RECIPIENTE CERRADO
AIRE
CALOR Figura 3. LEY DE GAY - LUSSAC
Todos los cuerpos, cualquiera que sea su estado ( slido, lquido
gaseoso ), experimentan cambios en su volmen cuando son sometidos a
cambios de Temperatura. Esto intuye, por lo tanto, que una variacin
de Temperatura producir efectos no solamente sobre el volmen sino
tambin sobre la presin. EJERCICIO Un gas ocupa 0,5 m3 en un
recipiente, a un valor de temperatura de 250 F. Cual ser su volmen
a 350 F si la presin se mantiene constante ? V1 = 0,5 m3 V2 = ?
Sustituyendo los valores conocidos tenemos: 0,5 : V2 = 250 : 350 T1
= 250 F T2 = 350 F V1 : V2 = T1 : T2
V2
=
0,5 m3 350 -------------------250
.
=
0.7 m3
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ECUACION GENERAL DE ESTADO. De las anteriores leyes se deduce
entonces la ecuacin general de estado de los gases, la cual se usa
para el clculo de gases ideales.
P1 . V1 --------CONSTANTE T1
=
P2 . V2 ---------T2
=
que se usa para el clculo de gases ideales.
1.5. HUMEDADAdems del N2, el O2 y los gases nobles, el aire
contiene tambin vapor de agua cuya proporcin depende bsicamente de
las condiciones climatolgicas y de la temperatura del aire. Para
cuantificarla se usan tres conceptos bsicos como son: HUMEDAD
MAXIMA. Es la cantidad extrema posible de vapor de agua en un
volmen de aire, a determinada temperatura. Se denomina tambien
grado de saturacin (temperatura del punto de roco). Para
determinarlo se emplea la grfica de humedad mxima. Ver Figura 4.
HUMEDAD ABSOLUTA. Es el contenido real de vapor de agua por unidad
de volumen. HUMEDAD RELATIVA. Es la relacin entre humedad absoluta
y humedad mxima, se indica en porcentaje (%).
H. Relativa (%)
=
H. absoluta --------------H. mxima
x
100
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Figura 4. GRAFICO DE HUMEDAD MAXIMA
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