Sistemas fluídicos

8/17/2019 Sistemas fluídicos

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Introducción:

En el presente reporte se presentarán los sistemas de flujo de fluidos, másespecíficamente, los sistemas neumáticos y los sistemas hidráulicos. Se van amostrar sus componentes principales, así como las definiciones científicas decada rama física, que son los temas mencionados.

Se verán tambin representados por sistemas de control individuales que dan aconocer sus características y comportamiento.

Sistemas fluídicos:

En sistemas de flujo de fluidos e!isten tres bloques funcionales, los cuales sepueden considerar equivalentes de la resistencia, la inductancia y la capacitancia."ara estos sistemas, como se muestra en la fi#ura, la entrada, el equivalente a lacorriente elctrica, es la ra$ón de flujo volumtrico q, y la salida, el equivalente a ladiferencia de potencial elctrico, es la diferencia de presiones %" &'"().

*os sistemas fluídicos se pueden considerar en dos cate#orías:

+idráulicos, el fluido es un líquido, que se considera incompresible. Ejemplo a#ua,aceite.

eumáticos, el fluido es un #as, puede ser compresible y presenta cambios dedensidad. Ejemplo aire.

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-loques funcionales para los sistemas fluídicos:

*a resistencia hidráulica es la resistencia a fluir que se presenta como resultadode un flujo de líquido a travs de válvulas o cambios de diámetro de las tuberías.En la fi#ura si#uiente, se muestra una resistencia hidráulica. *a relación entre lara$ón de flujo volumtrico q del líquido a travs de un elemento resistivo y laresultante diferencia de presiones %"&'"() es:

"&'"( /q

0onde 1/2 es una constante llamada resistencia hidráulica. 3 mayor resistenciahidráulica mayor es la diferencia de presiones para dar una ra$ón de flujo.

*a capacitancia hidráulica es el trmino que se emplea para describir elalmacenamiento de ener#ía con el líquido, donde sta se almacena en forma deener#ía potencial. *a altura del líquido es un contenedor, como se muestra en lafi#ura, que se denomina car#a de presión. "ara esta capacitancia, la tasa de

cambio de volumen 4 en el contenedor, es decir,dV dt , es i#ual a la diferencia

entre la ra$ón de flujo q& a la que el fluido entra en el contenedor, y la ra$ón deflujo q( a la que sale del contenedor.

q&'q(dV

dt

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pero 4 3h, 3 es el área de la sección transversal del contenedor. *a diferencia depresiones entre la entrada y la salida es p, donde:

p h5#

0onde 5 es la densidad del líquido y # es la aceleración debida a la #ravedad. 3sí:

q&'q( Ad ( p / ρg)

dt A

ρg dp

dt

Si se considera que el líquido es incompresible, es decir su densidad no cambia

con la presión. *a capacitancia hidráulica 6 se define como: 6 A

ρg .

0e este modo:

q&'q( C dp

dt

3l inte#rar la ecuación se obtiene:1

C ∫ (q1−q2)dt

*a inertancia %inercia) hidráulica es el equivalente a la inductancia en sistemaselctricos o a un resorte en sistemas mecánicos. "ara acelerar un fluido y así

incrementar su velocidad se requiere una fuer$a. Si se considera un bloque delíquido de masa m como se muestra en la fi#ura, la fuer$a neta que act7a sobre ellíquido es:

8&'8( %"&'"( )3

0onde %"&'"() es la diferencia de presiones y 3 es el área de sección transversal.*a fuer$a neta propicia que la masa se acelere con una aceleración a, así:

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%"&'"()3 ma.

"ero a es la tasa de cambio de la velocidad,dV

dt por lo tanto:

%"&'"( )3 m dV dt

6onsiderando un 4olumen 3*, donde * es la lon#itud del bloque del líquido o ladistancia entre los dos puntos en el líquido donde se miden las presiones " & y "(.Si el líquido tiene una densidad 5, entonces m 3* 5, así:

%"&'"( )3 3* 5

dV

dt

*a ra$ón de flujo volumtrico q 3v, por lo tanto:

%"&'"( )3 * 5dq

dt %"&'"( ) Idq

dt

0onde la inertancia hidráulica I se define como I Lρ

A

9anto para sistemas hidráulicos cómo para sistemas neumáticos, la diferencia depresiones es análo#a a la diferencia de potencial en sistemas elctricos. *asinertacias y capacitancias hidráulicas y neumáticas son elementos que almacenanener#ía y la resistencia tanto hidráulica como neumática son disipadores deener#ía.

Sistemas neumáticos.

*a neumática es la tecnolo#ía que emplea el aire comprimido como modo detransmisión de la ener#ía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. Elaire es un material elástico y, por tanto, al aplicarle una fuer$a, se comprime,mantiene esta compresión y devolverá la ener#ía acumulada cuando se le permitae!pandirse, se#7n la ley de los #ases ideales.

El aire comprimido, por el hecho de comprimirse, comprime tambin todas lasimpure$as que contiene, tales como polvo, hollín, suciedad, hidrocarburos,#rmenes y vapor de a#ua. 3 estas impure$as se suman las partículas queprovienen del propio compresor, tales como polvo de abrasión por des#aste,aceites y aerosoles y los residuos y depósitos de la red de tuberías, tales como

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ó!ido, residuos de soldadura, y las substancias hermeti$antes que puedenproducirse durante el montaje de las tuberías y accesorios.

Estas impure$as pueden crear partículas más #randes %polvo aceite) por lo quedan ori#en muchas veces a averías y pueden conducir a la destrucción de loselementos neumáticos. Es vital eliminarlas en los procesos de producción de airecomprimido, en los compresores y en el de preparación para la alimentacióndirecta de los dispositivos neumáticos.

"or otro lado, desde el punto de vista de prevención de los ries#os laborales, elaire de escape que contiene aceite puede da;ar la salud de los operarios y,además, es perjudicial para el medio ambiente.

6omponentes de un sistema neumático:

Elementos de un sistema neumático

En todo sistema neumático se pueden distin#uir los si#uientes elementos:

Elementos #eneradores de ener#ía. 9anto si se trabaja con aire como con unlíquido, se ha de conse#uir que el fluido transmita la ener#ía necesaria para elsistema. En los sistemas neumáticos se utili$a un compresor, mientras que en elcaso de la hidráulica se recurre a una bomba. 9anto el compresor como la bombahan de ser accionados por medio de un motor elctrico o de combustión interna.

Elemento de tratamiento de los fluidos. En el caso de los sistemas neumáticos,debido a la humedad e!istente en la atmósfera, es preciso proceder al secado delaire antes de su utili$ación< tambin será necesario filtrarlo y re#ular su presión,para que no se introdu$can impure$as en el sistema ni se produ$can

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sobrepresiones que pudieran perjudicar su funcionamiento. *os sistemashidráulicos trabajan en circuito cerrado, y por ese motivo necesitan disponer de undepósito de aceite y tambin, al i#ual que en los sistemas neumáticos, deberán ir provistos de elementos de filtrado y re#ulación de presión.

Elementos de mando y control. 9anto en sistemas neumáticos como enhidráulicos, se encar#an de conducir de forma adecuada la ener#ía comunicada alfluido en el compresor o en la bomba hacia los elementos actuadores.

Elementos actuadores. Son los elementos que permiten transformar la ener#ía delfluido en movimiento, en trabajo 7til. Son los elementos de trabajo del sistema y sepueden dividir en dos #randes #rupos: cilindros, en los que se producenmovimientos lineales y motores, en los que tienen lu#ar movimientos rotativos.

*os sistemas neumáticos son sistemas que utili$an el aire u otro #as como mediopara la transmisión de se;ales y=o potencia. 0entro del campo de la neumática latecnolo#ía se ocupa, sobre todo, de la aplicación del aire comprimido en laautomati$ación industrial %ensamblado, empaquetado, etc.)

*os sistemas neumáticos se usan mucho en la automati$ación de máquinas y enel campo de los controladores automáticos. *os circuitos neumáticos queconvierten la ener#ía del aire comprimido en ener#ía mecánica tienen un ampliocampo de aplicación %martillos y herramientas neumáticas, dedos de robots, etc.)por la velocidad de reacción de los actuadores y por no necesitar un circuito deretorno del aire.

En los sistemas neumáticos, el movimiento del mbolo de los cilindros de los ac'tuadores es más rápido que en los mecanismos hidráulicos. %"or ejemplo, el

taladro y el martillo neumático, responden muy bien a las e!i#encias requeridas enestos casos).

>n circuito neumático básico puede representarse mediante el si#uiente dia#ramafuncional.

*os circuitos neumáticos utili$an aire sometido a presión como medio paratransmitir fuer$a. Este aire se obtiene directamente de la atmósfera, se comprimey se prepara para poder ser utili$ado en los circuitos.

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*os actuadores neumáticos, dispositivos que convierten ener#ía neumática enener#ía mecánica, pueden ser de dos tipos: cilindro neumático %para movimientoslineales) y motor neumático %para movimiento rotatorio continuo).

4álvulas neumáticas*os mandos neumáticos están constituidos por elementos de se;ali$ación,elementos de mando y un aporte de trabajo. *os elementos de se;ali$ación ymando modulan las fases de trabajo de los elementos de trabajo y se denominanválvulas. *os sistemas neumáticos e hidráulicos están constituidos por:

Elementos de información.

?r#anos de mando.

Elementos de trabajo.

"ara el tratamiento de la información de mando es preciso emplear aparatos quecontrolen y dirijan el fluido de forma preestablecida, lo que obli#a a disponer deuna serie de elementos que efect7en las funciones deseadas relativas al control ydirección del flujo del aire comprimido.

En los principios de la automati$ación, los elementos redise;ados se mandanmanual o mecánicamente. 6uando por necesidades de trabajo se precisabaefectuar el mando a distancia, se utili$an elementos de comando por símboloneumático.

*os mandos neumáticos están constituidos por elementos de se;ali$ación,

elementos de mando y elementos de trabajo.

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Sistemas hidráulicos:

*a +idraulica es la tecnolo#ía que emplea un líquido, bien a#ua o aceite%normalmente aceites especiales), como modo de transmisión de la ener#íanecesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. -ásicamente consiste enhacer aumentar la presíon de este fluido %el aceite) por medio de elementos delcircuito hidraulico %compresor) para utili$arla como un trabajo 7til, normalmente enun elemento de salida llamado cilindro. El aumento de esta presión se puede ver y estudiar mediante el principio de "ascal.

*os cilindros solo tienen recorrido de avance y retroceso en movimiento rectilíneo,

es por eso que si queremos otro movimiento deberemos acoplar al cilindro unmecanismo que ha#a el cambio de movimiento.

En un sistema hidráulico el aceite sustituye al aire comprimido que se usa enneumática. @uchas e!cavadoras, el camión de la basura, los coches, etc utili$ansistemas hidra7licos para mover mecanismos que están unidos a un cilindrohidraulico movido por aceite.

*os principales componentes de un sistema hidráulico son:

&.'-omba

(.'3ctuadoresA.'4álvula de se#uridad

B.'8iltros

C.'@otor

D.'0epósito

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*os fluidos, ya sean líquidos o #ases son importantes medios para transmitir se;ales y=o potencias, y tienen un amplio campo de aplicación en las estructurasproductivas. *os sistemas en el que el fluido puesto en jue#o es un líquido sellaman sistemas hidráulicos. El líquido puede ser, a#ua, aceites, o substancias noo!idantes y lubricantes, para evitar problemas de o!idación y facilitar eldespla$amiento de las pie$as en movimiento.

*os sistemas hidráulicos tienen un amplio campo de aplicación, podemos men'cionar, además de la prensa hidráulica, el sistema hidráulico de accionamiento delos frenos, elevadores hidráulicos, el #ato hidráulico, los comandos de máquinas

herramientas o de los sistemas mecánicos de los aviones, etc., en estos casos ellíquido es aceite. Estos mecanismos constan de una bomba con pistón dediámetro relativamente peque;o, que al trabajar #enera una presión en el líquido,la que al actuar sobre un pistón de diámetro mucho mayor produce una fuer$amayor que la aplicada al pistón chico, y que es la fuer$a utili$able.

*os circuitos hidráulicos básicos están formados por cuatro componentes: undepósito para #uardar el fluido hidráulico, una bomba para for$ar el fluido a travsdel circuito, válvulas para controlar la presión del fluido y su flujo, y uno o másactuadores que convierten la ener#ía hidráulica en mecánica. *os actuadoresreali$an la función opuesta a la de las bombas. El depósito, la bomba, las válvulasde control y los actuado'res son dispositivos mecánicos.

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En los circuitos hidráulicos el fluido es un líquido, que es capa$ de transmitir presión a lo lar#o de un circuito cerrado %En los circuitos hidráulicos el líquidoretorna al depósito despus de reali$ar un trabajo).

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*a si#uiente fi#ura muestra un sistema hidráulico sencillo, un líquido entra y saledel contenedor. 0icho sistema se puede considerar como un capacitor, el líquidoen el contenedor< como un resistor la válvula. *a inertancia se puede despreciar puesto que las tasas de cambio de flujo son muy lentas.

: q&'q( 6dp

dt .

*a ra$ón de flujo q( a la cual el líquido sale del contenedor es i#ual a la ra$ón deflujo a travs de la válvula. 0e este modo, para el resistor, la ecuación es p/ q(.

*a presión se debe a la altura del líquido en el contenedor. 3l sustituir q( en laprimera ecuación:

q&' p=/ 6dp

dt .

"uesto que p5#h < q&'hρg

R . 6d (h p g)

dt .

0ebido a que 6 A

pg < q& 3dh

dt hρg

R

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Esta ecuación describe cómo la altura del líquido en el contenedor depende de laentrada del líquido en el contenedor.

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Ejemplos de sistemas de control:

Sistema neumático.

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Sistema hidráulico.

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6onclusiones:

3ctualmente, además de los mandos manuales para la actuación de estoselementos, se emplean para el comando procedimientos servo'neumáticos,electro'neumáticos y automáticos que efect7an en su totalidad el tratamiento de lainformación y de la amplificación de se;ales.

*a #ran evolución de la neumática y la hidráulica han hecho, a su ve$, evolucionarlos procesos para el tratamiento y amplificación de se;ales, y, por tanto, hoy endía se dispone de una #ama muy e!tensa de válvulas y distribuidores que nospermiten ele#ir el sistema que mejor se adapte a las necesidades.

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