Conceptos Básicos NEUMATICA.

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1 Conceptos Básicos NEUMATICA

2 Contenido Composición del aire Presión constante Presión Atmosférica
Volumen constante Presión manométrica Ley General de los gases Principio de Pascal Compresion Adiabática Unidades de Presión Compresion Politrópica Fuerza de un cilindro Humedad Relativa Agua en el aire comprimido Escalas de Temperatura Intercambiadores de Calor Leyes de los gases Enfriado Temperatura constante Caudal en las válvulas

3 Composición del aire Composición Nitrogeno 78.09% N2 Oxígeno 20.95% O2
Argón % Ar Otros %

4 Presión atmosférica Debida al peso del aire encima nuestro
Disminuye si subimos una montaña Aumenta si bajamos a una mina También varia por condiciones del clima

5 Presión atmosférica La presión absoluta y temperatura al nivel del mar son bars y 288 K (15OC), respectivamente m bar

6 Barómetro de Mercurio La presión atmosférica puede medirse por la altura de una columna al vacío de un liquido Al nivel del mar una columna de mercurio alcanza una altura de 760 mm Hg ( bar) Una columna de agua mediría 10 mts. Pero el mercurio es mucho más denso que el agua 760 mm Hg Presión atmosférica

7 Barómetro de Mercurio DENSIDADES (Kg /m3) Aire 1.25 Alcohol 806
Agua Mercurio (el mercurio es veces más denso que el aire) 760 mm Hg Presión atmosférica

8 Presión Manométrica (Pg)
En los sistemas neumáticos la presión se mide con manómetros La presión manométrica indica la presión en exceso a la presión atmosferica La graduación de los manómetros se da generalmente en bar (en equipo inglés en PSI)

9 Presión Manométrica (Pg)
17 16 La presión manométrica indica la presión en exceso a la presión atmosferica Presión manométrica cero es igual a la presión atmosférica En los cálculos con las fórmulas se usan presiones absolutas Pa = Pg + 1 atmósfera Aunque en realidad 1 atmósfera es igual a bar, se asume que 1 atmósfera es igual a 1 bar 16 15 Rango extendido de presiones 15 14 14 13 13 12 12 11 11 10 Presiones típicas 10 9 Presión manométrica bar g 9 Presión absoluta bar a 8 8 7 7 6 Presiones Bajas 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 atmósfera 1 Vacío

10 Unidades de Presión 1 Pascal = 1 N / m2 1 bar = 100,000 Pascal
1 bar = 10 N / cm2 Si se usan libras por pulgada cuadrada (psi) 1 psi = mbar 14.5 psi = 1bar

11 Unidades de Presión 1 bar = 100000 N/m2 1 bar = 100 kPa
1 bar = psi (100 psi = 6.9 bar) 1 bar = kgf/m2 1 mm Hg = mbar aprox. 1 mm H2O = mbar aprox. 1/10 bar (10,000 Pa) es aprox. lo más fuerte que una persona promedio puede soplar

12 Principio de Pascal F D mm
La presión de los fluidos se transmite por igual en todas las direcciones La fuerza ejercida por un piston es igual al producto del area efectiva por la presión del aire PRESION = FUERZA AREA Por tanto si la presión suministrada es constante, a mayor diámetro D del cilindro mayor fuerza F para el trabajo P bar F

13 Fuerza de un cilindro p D2 P Fuerza = Newtons 40 D mm
La fuerza ejercida por un pistón es igual al producto del area efectiva por la presión del aire P bar p D2 P Fuerza = Newtons 40 donde D = diámetro del cilindro en mm P = presión en bar

14 Escalas de Temperatura
393 120 240 220 373 100 200 OK = OC OF = 9/5 OC + 32 Fahrenheit y Celsius coinciden a - 40O 180 353 80 160 333 140 60 120 313 100 40 80 293 20 60 40 273 20 253 -20 -20 233 -40 -40 OK OF OC

15 Leyes de los gases Las variables de estado de los gases son: presión, volumen y temperatura Si mantenemos una de ellas constante, la relación de las otras dos esta dada por las siguientes leyes: Temperatura constante P.V = constante (Ley de Boyle) Presión constante V / T = constante (Ley de Charles) Volumen constante P / T = constante (Ley de Gay - Lusac)

16 Temperatura constante
Presión P bar (absoluta) Ley de Boyle: el producto de presión y volumen de una masa de gas se mantiene si la temperatura no se varía Este proceso se llama Isotérmico. Debe ser lento para que el calor fluya libremente y así la temperatura no cambie, cuando el gas es comprimido o expandido 16 14 12 10 8 6 4 2 2 4 6 8 10 12 14 16 Volumen V P1.V1 = P2.V2 = constante

17 Presión constante Ley de Charles: El volumen de una
Temperature Celsius Ley de Charles: El volumen de una masa de gas cambia proporcionalmente a su temperatura absoluta, si la presión se mantiene constante (Isobárico) Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio de 73.25oC produce un cambio de 25% en volumen 0o Celsius = 273K 100 80 60 40 20 293K -20 -40 -60 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 Volume V V2 T1(K) T2(K) = c =

18 Presión constante Ley de Charles: El volumen de una
Temperature Celsius Ley de Charles: El volumen de una masa de gas cambia proporcionalmente a su temperatura absoluta, si la presión se mantiene constante (Isobárico) Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio de 73.25oC produce un cambio de 25% en volumen 0o Celsius = 273K 100 366.25K 80 60 40 20 -20 -40 -60 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 Volume V V2 T1(K) T2(K) = c =

19 Presión constante Ley de Charles: El volumen de una
Temperature Celsius Ley de Charles: El volumen de una masa de gas cambia proporcionalmente a su temperatura absoluta, si la presión se mantiene constante (Isobárico) Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio de 73.25oC produce un cambio de 25% en volumen 0o Celsius = 273K 100 80 60 40 20 293K -20 -40 -60 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 Volume V V2 T1(K) T2(K) = c =

20 Presión constante Ley de Charles: El volumen de una
Temperature Celsius Ley de Charles: El volumen de una masa de gas cambia proporcionalmente a su temperatura absoluta, si la presión se mantiene constante (Isobárico) Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio de 73.25oC produce un cambio de 25% en volumen 0o Celsius = 273K 100 80 60 40 20 -20 -40 219.75K -60 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 Volume V V2 T1(K) T2(K) = c =

21 Presión constante Ley de Charles: El volumen de una
Temperature Celsius Ley de Charles: El volumen de una masa de gas cambia proporcionalmente a su temperatura absoluta, si la presión se mantiene constante (Isobárico) Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio de 73.25oC produce un cambio de 25% en volumen 0o Celsius = 273K 100 366.25K 80 60 40 20 293K -20 -40 219.75K -60 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 Volume V V2 T1(K) T2(K) = c =

22 Volumen constante Temperature Celsius Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de aire se mantiene constante, la presión es proporcional a la temperatura Un recipiente rígido (volumen constante) a 20oC y 10 bar de presión absoluta, un cambio de temperatura de 60oC produce un cambio de presión de 2.05 bar 0oC = 273K 100 80 60 40 20 2 4 6 8 bar 10 12 14 16 -20 -40 bar absolute -60 5 10 15 20 P P2 T1(K) T2(K) = c =

23 Volumen constante Temperature Celsius Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de aire se mantiene constante, la presión es proporcional a la temperatura Un recipiente rígido (volumen constante) a 20oC y 10 bar de presión absoluta, un cambio de temperatura de 60oC produce un cambio de presión de 2.05 bar 0oC = 273K 100 80 60 40 20 8 6 10 4 12 -20 2 14 bar 16 -40 bar absolute -60 5 10 15 20 P P2 T1(K) T2(K) = c =

24 Volumen constante Temperature Celsius Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de aire se mantiene constante, la presión es proporcional a la temperatura Un recipiente rígido (volumen constante) a 20oC y 10 bar de presión absoluta, un cambio de temperatura de 60oC produce un cambio de presión de 2.05 bar 0oC = 273K 100 80 60 40 20 2 4 6 8 bar 10 12 14 16 -20 -40 bar absolute -60 5 10 15 20 P P2 T1(K) T2(K) = c =

25 Volumen constante Temperature Celsius Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de aire se mantiene constante, la presión es proporcional a la temperatura Un recipiente rígido (volumen constante) a 20oC y 10 bar de presión absoluta, un cambio de temperatura de 60oC produce un cambio de presión de 2.05 bar 0oC = 273K 100 80 60 40 20 8 6 10 4 12 -20 2 14 bar 16 -40 bar absolute -60 5 10 15 20 P P2 T1(K) T2(K) = c =

26 Volumen constante Temperature Celsius Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de aire se mantiene constante, la presión es proporcional a la temperatura Un recipiente rígido (volumen constante) a 20oC y 10 bar de presión absoluta, un cambio de temperatura de 60oC produce un cambio de presión de 2.05 bar 0oC = 273K 100 80 60 40 20 8 6 10 4 12 -20 2 14 bar 16 -40 bar absolute -60 5 10 15 P P2 T1(K) T2(K) = c =

27 Ley General de los gases
Es una combinación de las leyes de Boyle, de Charles y de Gay-Lusac Si la masa se mantiene, y la presión, el volumen y la temperatura varían, la relacion PV/T permanece constante P1 V1 = P2 V2 = constante T1 T2

28 Compresión Adiabática
La compresión instantánea es un proceso adiabático (si no hay tiempo para disipar el calor a través de las paredes del cilindro) En una compresion (o expansión) adiabática P V n = c (para el aire n = 1.4) En un cilindro neumático la compresión es rápida aunque siempre se pierde algo de calor a través de las paredes del cilindro Por tanto el valor de n es menor (se usa n  1.3) 2 4 6 8 10 12 bar a 14 16 PV 1. 4 = c adiabatico PV 1. 2 = c politropico PV = c isotérmico Volume

29 Compresión Politrópica
En aplicaciones como los amortiguadores de coches siempre existe algo de disipación de calor durante la compresión Este tipo de compresión la podemos situar entre la adiabática y la isotérmica Por no llegar a la compresión adiabática el valor de n será menor a 1.4 dependiendo de que tan brusca sea la amortiguación Comunmente se usa un factor n = 1.2

30 Humedad Relativa (HR) Mide la cantidad de vapor de agua en el aire comparada con la max cantidad de vapor de agua que podria contener antes de su precipitación. HR varía con la temperatura del aire. 25% HR 50% HR 100% HR 40 A 20o Celsius 100% HR = gr/m3 50% HR = gr/m3 25% HR = gr/m3 20 Temperatura Celsius -40 -20 10 20 30 40 50 60 70 80 Gramos de vapor de agua / metro cúbico de aire (gr / m3)

31 Agua en el aire comprimido
Cuando una gran cantidad de aire se comprime, se nota la aparición de agua El vapor de agua en el aire es tambien comprimido y el resultado es similar al de exprimir una esponja Esto provoca que el aire comprimido se sature dentro del tanque aire 100% saturado Condensado Drenaje

32 Agua en el aire comprimido
Imaginémos 4 cubos de 1 m3 de aire libre a 20oC y con humedad relativa del 50% Es decir contienen 8.7 grs. de agua (la mitad del max posible que es de 17.4 grs.)

33 Agua en el aire comprimido
Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para formar 1 m3, los 4 x 8.7 = 34.8 gramos de agua no pueden sostenerse en él. El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua Los otros 2 x 8.7 = 17.4 grs. agua caen como gotas.

34 Agua en el aire comprimido
Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para formar 1 m3, los 4 x 8.7 = 34.8 gramos de agua no pueden sostenerse en él. El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua Los otros 2 x 8.7 = 17.4 grs. agua caen como gotas.

35 Agua en el aire comprimido
Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para formar 1 m3, los 4 x 8.7 = 34.8 gramos de agua no pueden sostenerse en él. El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua Los otros 2 x 8.7 = 17.4 grs. agua caen como gotas.

36 Agua en el aire comprimido
Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para formar 1 m3, los 4 x 8.7 = 34.8 gramos de agua no pueden sostenerse en él. El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua Los otros 2 x 8.7 = 17.4 grs. agua caen como gotas.

37 Agua en el aire comprimido
Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para formar 1 m3, los 4 x 8.7 = 34.8 gramos de agua no pueden sostenerse en él. El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua Los otros 2 x 8.7 = 17.4 grs. agua caen como gotas.

38 Agua en el aire comprimido
4 m3 con 50%HR y 1 bar presión atmosferica puede comprimirse en 1 m3 con una presión manométrica de 3 bar 17.4 gramos de agua permanecen como vapor en el aire saturado Mientras que 17.4 gramos se condensan y se precipitan Este proceso continúa, y cada vez que la presión manométrica excede 1 bar y se comprime 1 m3 adicional de aire, 8.7 gramos de agua se precipitan

39 Intercambiadores de calor
El aire tiene vapor de agua Al comprimirse el aire se satura Se desea utilizar aire comprimido seco Para secar el aire comprimido se utilizan los intercambiadores de calor Estos enfrian primero y entibian luego el aire comprimido Al hacerlo secan el aire comprimido Aire húmedo Aire Seco M Drenaje Refrigeración

40 Intercambiadores de calor
El aire húmedo entra al primer intercambiador de calor y es enfriado por el aire seco que va saliendo Este aire entra al segundo intercambiador de calor donde es refrigerado El condensado se drena al exterior A medida que el aire seco y refrigerado sale, es entibiado por el aire húmedo que va entrando Aire húmedo Aire Seco M Drenaje Refrigeración

41 Enfriado Cuando el aire comprimido saturado se enfría casi al punto de congelación, 25% RH 50% RH 100% RH 40 20 Temperatura Celsius -40 -20 10 20 30 40 50 60 70 80 Gramos de vapor de agua / metro cubico de aire gr/ m3

42 Enfriado Cuando el aire comprimido saturado se enfría casi al punto de congelación, aproximadamente el 75% del vapor de agua se condensa. 25% RH 50% RH 100% RH 40 20 Temperatura Celsius -40 -20 10 20 30 40 50 60 70 80 Gramos de vapor de agua / metro cubico de aire gr/ m3

43 Enfriado Cuando el aire comprimido saturado se enfría casi al punto de congelación, aproximadamente el 75% del vapor de agua se condensa. Cuando se le entibia hasta 20OC se seca alcanzando una humedad relativa del 25% HR 25% RH 50% RH 100% RH 40 20 Temperature Celsius -40 -20 10 20 30 40 50 60 70 80 Gramos de vapor de agua / metro cubico de aire gr/ m3