Ingeniero: Rafael Ramírez Neumática básica Ingeniero: Rafael Ramírez

Introducción a la Neumática La tecnología de la neumática ha ganado una importancia tremenda en el campo de la racionalización y automatización del lugar de trabajo, desde las antiguas obras de madera y las minas de carbón, hasta los modernos talleres de máquinas y robots especiales. Ciertas características del aire comprimido ha hecho este medio bastante adecuado para usarlo en las modernas plantas de fabricación y producción.

Introducción a la Neumática Por lo tanto, es importante que los técnicos e ingenieros tengan un buen conocimiento de guía del sistema neumático, las herramientas accionadas por aire comprimido y otros accesorios, incluyendo un concepto completo y claro de los principios físicos que rigen el comportamiento del aire comprimido.

Introducción a la Neumática Algunas de las características básicas que hacen de la aplicación de la neumática más ventajosa y que sea excepcionalmente adecuada en su manejo son: Amplia disponibilidad del aire. Compresibilidad del aire. Facilidad para transportar el aire en recipientes a presión, contenedores y tubos largos Características del medio de ser a prueba de incendio.

Introducción a la Neumática Construcción sencilla de los elementos neumáticos y facilidad en su manejo. Alto grado de facilidad de control de la presión, velocidad y fuerza. Posibilidad de un fácil, pero razonables confiable, control a distancia. Fácil mantenimiento. Características del medio de ser a prueba de explosión. Costo comparativamente más bajo en relación con otros sistema.

Fundamentos de neumática La ley de Boyle afirma que, si la temperatura permanece constante, la presión de una masa confinada de gas variará inversamente con su volumen. Por consiguiente, si P es la presión absoluta de un gas y V es su volumen. Ley de Boyle: presión final, presión inicial, volumen final volumen inicial,

Fundamentos de neumática De lo anterior Osea constante Por lo tanto, se puede escribir que

Fundamentos de neumática LEY DE CHARLES La ley de Charles afirma que si permanece la presión constante, el volumen de una masa dada de gas variará directamente según su temperatura absoluta. Si son las temperaturas absolutas inicial y final, respectivamente, y son los volúmenes inicial y final de una masa dada de gas, entonces.

Fundamentos de neumática Por lo tanto

TIPOS DE COMPRESORES DE AIRE

TIPOS DE COMPRESORES DE AIRE Los compresores de desplazamiento positivo trabajan sobre el principio de incrementar la presión de un volumen definido de aire al reducir ese volumen en una cámara encerrada. En el compresor dinámico (turbocompresor) se emplean paletas rotatorias o impulsores para impartir velocidad y presión al flujo de aire que se está manejando. La presión proviene de los efectos dinámicos, como la fuerza centrifuga.

CLASIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES Como compresores de simple o de doble acción, por su número de etapas; a saber, una, dos, tres o múltiples etapas. Según la disposición de los cilindros con relación al cigüeñal (es decir, cilindros en posición vertical, en línea, horizontal, en V, radial, etc). Por la disposición geométrica o de los cilindros usada para obtener las etapas del compresor; a saber, vertical, horizontal, en V, etc. Por la manera de impulsar el compresor o por el motor primario, como impulsados por motor diesel, por motor eléctrico, por turbina de gas, etc. Por la condición del aire comprimido; a saber, contaminado con aceite lubricante o sin aceite. Por la condición del montaje o su calidad de portátil a saber, compresor portátil, compresor estacionario o compresor montado en patines. Por el medio de enfriamiento aplicado; a saber, enfriado por aire, enfriado por agua, compresor de líquido inyectado, etc.

Compresor Reciprocante La construcción de un compresor reciprocante es semejante al de un motor de combustión interna (CI), el cual consta de un cuerpo de hierro fundido o de aluminio con un tanque de aceite, la base, el pistón con sus anillos, válvulas, bielas manivelas, cigüeñal, cojinetes, etc. A medida que se tira del pistón hacia adentro, se succiona aire por la válvula correspondiente, a través de un filtro, y se comprime en la carrera de retorno.

COMPONENTES DEL COMPRESOR

Funcionamiento del compresor Con el arranque del motor eléctrico, la manivela gira y el pistón del cilindro de la primera etapa succiona aire atmosférico a través de filtro correspondiente y de la válvula de admisión. En la siguiente rotación de la manivela, el pistón invierte su movimiento y comprime el aire. El aire comprimido hace que se abre la válvula de salida y s escapa a través del interenfriador hacia el cilindro de la segunda etapa, forzando la apertura de la válvula de admisión de este último.

Funcionamiento del compresor En este cilindro, el aire se comprime todavía más, hasta el nivel deseado, y se alimenta al tanque de compresión por el condensador a compresión, a través de su válvula de salida. Alrededor del pistón se encuentran los anillos del mismo, para hacerlo hermético al aire. Estos se fabrican principalmente de hierro fundido, con una junta de extremos simples, ahusados o escalonados. El compresor necesita una lubricación razonable, para lograr una mayor duración sin problemas. Para una operación continua con carga pesada, el aceite debe tener una viscosidad de más o menos 7º E a 50 ºC.

Funcionamiento del compresor El cilindro de la primera etapa se conoce como cilindro de baja presión (BP), en donde se comprime inicialmente el aire tomado de la atmósfera. El otro cilindro es el de la segunda etapa, el cual es de diámetro menor y también se conoce como cilindro de alta presión (AP). En éste, el aire comprimido que viene del primer cilindro o de BP se comprime todavía más hasta la presión elevada. Cuando el aire se comprime, se genera calor considerable. Este calor se debe disipar al menos en las unidades en donde la presión sea mayor que 2 bar. La máquina principal se enfría por circulación de aire o de agua.

TANQUE DE COMPRESIÓN Un tanque de compresión es una necesidad con todos los compresores reciprocantes y, en muchos casos, resulta conveniente con los otros tipos de compresores, porque cumple las siguientes: Elimina las pulsaciones en el flujo producido por una máquina reciprocarte. proporciona capacidad de almacenamiento de reserva. ayuda a enfriar el aire y, de este modo, a condensar parte de su humedad.

Calculo del tamaño del tanque El tamaño del tanque de compresión depende de: El volumen de entrega del compresor El consumo de aire. La red de tubería. El tipo y naturaleza de la regulación de la conexión y desconexión. La diferencia permisible de presión en las tuberías.

Calculo del tamaño del tanque ya que se toma como 1bar, para facilitar el cálculo. En donde: = capacidad volumétrica del compresor, en = presión atmosférica, en (abs.)

Calculo del tamaño del tanque normal /min. Con regulación de conexión y desconexión, el tamaño puede calcularse con precisión por medio de la fórmula empírica: . En donde: = volumen del tanque de compresión, = volumen de entrega, = presión en la admisión, bar (abs). = diferencia de presión, bar. = ciclos de conmutación/hora de funcionamiento del compresor

CÁLCULO DEL COSTO DEL AIRE COMPRIMIDO factores mínimos que deben considerarse para determinar el costo del aire comprimido: Capacidad del tanque de compresión. Presión desarrollada. Costo de la planta de compresores (costo del capital). Costo de la mano de obra. Costo corriente de mantenimiento, como el costo de la energía eléctrica, etc.

Ejemplo un compresor pequeño con capacidad de 250 litros del tanque de compresión. El compresor es impulsador por un motor eléctrico de 5.5 KW de capacidad. Tómese el costo de la mano de obra de ocho horas al día como 30 rupias (1 rupia=100 pise=0.13 dólar aproximadamente), el costo del compresor y su planta en 20000 rupias, así como pérdidas de 2.5% del aire durante la producción. Con el uso de un cronómetro, se encuentra que el tiempo necesario para crear una presión de 6 bar (man) en el tanque de 250 litros es de 4 minutos 10 segundos, es decir, 250 segundos. Si se considera que existe una pérdida de 2.5% del aire, debido a fugas, etc., se tiene

SOLUCION Cantidad real del aire comprimido Tiempo necesario para comprimir un de aire 1 Unidad necesaria de energía eléctrica

SOLUCION Costo de la energía a 0.80 Pesos por kWh = 0.80 1.5= 1.20 pesos Costo de la mano de obra 30 Pesos por 8 H al día 1.02 pesos, aprox.

SOLUCION Costo de depreciación pesos, aprox. Por lo tanto Costo total a 6 bar (man)= (1.20+1.02+0.08) pesos =2.30 pesos.

SOLUCION Para tener 1 Cantidad necesaria de aire atmosférico de aire comprimido, normales

SOLUCION Costo de 1 normal de aire 0.33 pesos Como consecuencia, digamos 0.35 Costo de 1 normal de aire libre = 35 paise Como el aire cuesta dinero, el mensaje es bastante claro en el sentido de que se debe tomar el máximo cuidado para ver que no se fugue aire a la atmósfera, en lo absoluto.

Unidad de trabajo de un sistema neumático MOTOR NEUMÁTICO Los motores neumáticos, como se les conoce en forma popular, tienen diversos tipos de diseños, tales como de paletas ,de engrane , de pistones, pero el más común es el de tipo de paletas. Motor de paletas :En los motores neumáticos de paletas, se coloca un bloque rotor en una carcasa, concéntrico a ésta o, en algunos otros tipos, el interior de la carcasa tiene contorno elíptico sobre el que se coloca el rotor en forma concéntrica.

Motor de paletas El bloque rotor tiene varias ranuras finamente maquinadas, rectificadas y pulidas en el interior de las cuales se colocan unas pequeñas paletas, las que se pueden mover hacia adentro y hacia fuera de esas ranuras Cuando se alimenta aire comprimido, el rotor inicia su giro, produciendo en consecuencia un par motor (troqué) sobre la flecha. Para operaciones en r.p.m. elevadas de los sistemas mecánicos rotatorios, los motores neumáticos ofrecen un sistema en extremo seguro, debido a su capacidad de disipar el calor, en virtud de la expansión del aire en el interior de las cámaras de las paletas. Ésta es una propiedad muy ventajosa del motor neumático sobre los motores eléctricos.

Motor de paletas En otros tipos de motores, las aletas son empujadas por la fuerza de resortes. Por regla general estos motores tienen de 3 a 10 aletas, que forman las cámaras en el interior del motor. En dichas cámaras puede actuar el aire en función de la superficie de ataque de las aletas. El aire entra en la cámara más pequeña y se dilata a medida que el volumen de la cámara aumenta. La velocidad del motor varia entre 3.000 y 8.500 min También de este motor hay unidades de giro a derechas y de giro a izquierdas, así como de potencias conmutables de 0,1 a 17kW (0,1 a 24 CV).

COMPARACIÓN MOTOR NEUMÁTICO Y ELÉCTRICO : Ventajas de los motores neumáticos Los motores neumáticos desarrollan más kW/peso normal y por metro cúbico de desplazamiento que la mayor parte de los motores eléctricos estándar. Inherentemente, son a prueba de choque y explosión, lo cual no es el caso para los motores eléctricos. Los motores neumáticos no son afectados por una atmósfera caliente, húmeda o corrosiva. En virtud de que operan bajo presión interna, el polvo, la humedad y los vapores no pueden entrar en la cubierta del motor. Las cubiertas a prueba de polvo y de explosión para los motores eléctricos tienen un costo adicional

COMPARACIÓN MOTOR NEUMÁTICO Y ELÉCTRICO : Los motores neumáticos no resultan dañados por sobrecargas, inversiones rápidas o por funcionar en forma continua cerca de la velocidad mínima; cuando un motor neumático se para por llevarlo hasta su carga máxima, sigue produciendo un alto par, sin dañarse (para sostener una carga, por ejemplo), pero un motor eléctrico puede resultar gravemente dañado debido a una sobrecarga. Se puede hacer variar la velocidad en un amplio rango, sin disposiciones complicadas de control en la masa de aire pero, en los motores eléctricos, esto es caro.

COMPARACIÓN MOTOR NEUMÁTICO Y ELÉCTRICO : Debido a su baja inercia, los motores neumáticos se aceleran y desaceleran con rapidez desde cero hasta plena velocidad en milisegundos, lo que resulta ideal para realizar ciclos rápidos. Los motores eléctricos tardan más tiempo para llevar a cabo esto. Los motores neumáticos son de diseño sencillo y construcción relativamente no es cara. Son confiables o de fácil mantenimiento y no se desarrolla calor, incluso si se paran por carga máxima durante un periodo más largo.

COMPARACIÓN MOTOR NEUMÁTICO Y ELÉCTRICO : Entre más duro trabaja un motor neumático, funciona más frío; debido a que el aire se expande a medida que pasa por el motor, crea un efecto de enfriamiento, lo cual permite que los motores neumáticos operen en ambientes en donde la temperatura puede llegar hasta 125ºC, lo cual es sencillamente lo opuesto en el caso de los motores eléctricos.

COMPARACIÓN MOTOR NEUMÁTICO Y ELÉCTRICO : Ventajas de los motores eléctricos Los motores eléctricos son menos eficientes y más ruidosos, a menos que se coloquen silenciadores en sus lumbreras de escape. Los motores eléctricos son más eficientes; debido a que la velocidad del motor neumático varía con la carga, no pueden mantener una velocidad constante sin controles de regulador. A este respecto, los motores eléctricos son mejores.

MOTOR DE ENGRANAJES En este tipo de motor, el par de rotación es engendrado por la presión que ejerce el aire sobre los flancos de los dientes de piñones engranados. Uno de los piñones es solidario con el eje del motor. Estos motores de engranaje sirven de máquinas propulsoras de gran potencia 44 kW (60CV). El sentido de rotación de estos motores, equipados con dentado recto o helicoidal, es reversible.

Regulación de velocidad Limitación del caudal de alimentación: (estrangulación primaria) En este caso, para la limitación del caudal de alimentación las válvulas antirretorno y de estrangulación se montan de modo que se estrangule el aire que va al cilindro., La más mínima variación de la carga, por ejemplo el momento de pasar sobre un final de carrera, supone una gran variación de la velocidad de avance. Por eso, esta limitación de caudal se utiliza únicamente para cilindros de simple efecto y de volumen pequeño

Limitación del caudal de escape: (estrangulación secundaria) En este caso el aire de alimentación entra libremente en el cilindro; se estrangula el aire de escape. El émbolo se halla entre dos cojinetes de aire. Esta disposición mejora considerablemente el comportamiento del avance. Por esta razón, es el método más adecuado para cilindros de doble efecto.En el caso de cilindros de volumen pequeño y de carrera con, la presión en el lado de escape no puede formarse con la suficiente rapidez, por lo que en algunos casos habrá que emplear la limitación del caudal de alimentación junto con la del caudal de escape.