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ANTECEDENTES HISTÓRICOS DE LA NEUMÁTICA
La neumática (del griego πνεῦμα "aire") es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. El aire es un material elástico y, por tanto, al aplicarle una fuerza se comprime, mantiene esta compresión y devuelve la energía acumulada cuando se le permite expandirse, según dicta la ley de los gases ideales.
El término Neumática procede del griego pneuma que significa soplo o aliento. Las primeras aplicaciones de neumática se remontan al año 2.500 a.C. mediante la utilización de muelles de soplado. Posteriormente fue utilizada en la construcción de órganos musicales, en la minería y en siderurgia. Hace más de 20 siglos, un griego, Tesibios, construyó un cañón neumático que, rearmado manualmente comprimía aire en los cilindros. Al efectuar el disparo, la expansión restituía la energía almacenada, aumentando de esta forma el alcance del mismo. En el siglo XIX se comenzó a utilizar el aire comprimido en la industria de forma sistemática. Herramientas neumáticas, martillos neumáticos, tubos de correo neumáticos, son un ejemplo de estas aplicaciones. Durante la construcción del túnel de Mont-Cenis, en 1857, se utilizó una perforadora de aire comprimido que permitía alcanzar una velocidad de avance de dos metros diarios frente a los sesenta centímetros que se obtenían con los medios tradicionales. En 1880 se inventó el primer martillo neumático. La incorporación de la neumática en mecanismos y la automatización comienza a mediados del siglo XX.
El fluido que utiliza la neumática es el aire comprimido, y es una de las formas de energía más antiguas utilizadas por el hombre. Su utilización se remonta al Neolítico, cuando aparecieron los primeros fuelles de mano, para avivar el fuego de fundiciones o para airear minas de extracción de minerales.
La utilización del aire a presión como energía, se realiza en algunas máquinas y mecanismos, como la catapulta de aire comprimido del griego KTESIBIOS, o la descripción en el siglo I de diversos mecanismos que son accionados por aire caliente. A partir del siglo XVII, se comienza el estudio sistemático de los gases, y con ello, comienza el desarrollo tecnológico de las diferentes aplicaciones del aire comprimido. Primera máquina neumática de Robert Boyle En el siglo XVIII se construye el primer compresor alternativo, en el XIX, se utiliza como fuente energética para perforadoras de percusión, Unidad didáctica: “Neumática e hidráulica” Tecnología Autor: Antonio Bueno 3 sistemas de correos, frenos de trenes, ascensores, etc.. A finales del siglo XIX, se deja de desarrollar debido a la competencia de otros tipos de energía (máquinas de vapor, motores y electricidad).
Estando hoy en día ampliamente implantado en la industria.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA NEUMÁTICA
La neumática admite infinidad de aplicaciones en el campo de máquinas, herramientas, así como casi una totalidad de procesos industriales. Por lo cual posee como todo, ventajas y desventajas:
VENTAJAS
El aire es de fácil captación y abunda en la tierra
El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos de chispas. Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y fácilmente regulables
El trabajo con aire no daña los componentes de un circuito por efecto de golpes de ariete.
Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que dañen los equipos en forma permanente.
Los cambios de temperatura no afectan en forma significativa.
Energía limpia
Cambios instantáneos de sentido
DESVENTAJAS
En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables.
Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente empleado.
Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes fuerzas
Altos niveles de ruido generado por la descarga del aire hacia la atmósfera.
Aplicaciones de la neumática
Industriales
Debido a sus buenas características, actualmente la neumática es ampliamente utilizada en multitud de aplicaciones y entornos industriales.
La tecnología neumática se usa en sistemas industriales tales como: plataformas elevadoras, apertura y cierre de puertas o válvulas, embalaje y envasado, máquinas de conformado, taladrado de piezas, robots industriales, etiquetado, sistemas de logística, prensas, pulidoras, máquinas - herramientas; etc.
Presión
La presión (símbolo p )^1 2 es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea. En el Sistema Internacional de Unidades la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado. En el Sistema Inglés la presión se mide en libra por pulgada cuadrada (pound per square inch o psi) que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando en una pulgada cuadrada.
La presión es la magnitud escalar que relaciona la fuerza con la superficie sobre la cual actúa, es decir,equivale a la fuerza que actúa sobre la superficie.
Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme, la presión P viene dada de la siguiente forma:
Caudal
En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.
El caudal de un río puede calcularse a través de la siguiente fórmula:
Donde
Caudal ([L^3 T−1]; m^3 /s) Es el área ([L^2 ]; m^2 ) Es la velocidad lineal promedio. ([LT−1]; m/s)
Producción de aire comprimido
El aire comprimido se refiere a una tecnología o aplicación técnica que hace uso de aire que ha sido sometido a presión por medio de un compresor. En la mayoría de aplicaciones, el aire no sólo se comprime sino que también se deshumidifica y se filtra. El uso del aire comprimido es muy común en la industria, su uso tiene la ventaja sobre los sistemas hidráulicos de ser más rápido, aunque es menos preciso en el posicionamiento de los mecanismos y no permite fuerzas grandes.
La producción de aire comprimido se realiza mediante el compresor. Existen varias clasificaciones, si los clasificamos por la forma de producción sería:
Tipos de compresores
Al clasificarse según el indicio constructivo los compresores volumétricos se subdividen en los de émbolo y de motor y los de paletas en centrífugos axiales. Es posible la división de los compresores en grupos de acuerdo con el género de gas que se desplaza, del tipo de transmisión y de la destinación del compresor:
Alternativos Centrífugos De tornillo
Principios de operación
Compresores alternativos
Los compresores alternativos son máquinas de desplazamiento positivo en las cuales sucesivas cantidades de gas quedan atrapadas dentro de un espacio cerrado y, mediante un pistón, se eleva su presión hasta que se llega a un valor de la misma que consigue abrir las válvulas de descarga. El elemento básico de compresión de los compresores alternativos consiste en un solo cilindro en el que una sola cara del pistón es la que actúa sobre el gas (simple efecto).
Existen unidades en las que la compresión se lleva a cabo con las dos caras del pistón (doble efecto), actuando de la misma forma que si tuviéramos dos elementos básicos de simple efecto trabajando en paralelo dentro de una misma carcasa. El compresor de doble etapa, el aire se comprime en una primera fase, se refrigera y se vuelve a comprimir en una segunda fase permitiendo un elevadísimo rendimiento del grupo compresor. Es indicado para la industria en general, destacando por su alto rendimiento en todos los trabajos que realiza.
Para evitar los inconvenientes de los compresores de una etapa, en este tipo de compresores la compresión del aire se realiza en dos etapas por medio de un solo pistón. En el diagrama que presentamos a continuación podemos estudiar el funcionamiento básico interno de este tipo de compresores. El ciclo de trabajo del compresor se divide en 5 etapas que se describen a continuación:
Comienzo de la compresión. El cilindro se encuentra lleno de gas Etapa de compresión. El pistón actúa sobre la masa de gas reduciendo su volumen original con un aumento paralelo de la presión del mismo. Las válvulas del cilindro permanecen cerradas
- El directo de aceite en el cojinete del compresor y los de gasto de aceite
Todos están diseñados principalmente como cierre de funcionamiento y no deparo. Los compresores centrífugos se utilizan para una gran variedad de servicios, incluyendo:
Enfriamiento y desecación
suministro de aire de combustión a hornos y calderas
sopladores de altos hornos, cúpulas y convertidores
transporte de materiales sólidos
procesos de flotación
por agitación y aireación, por ventilación
como eliminadores y para comprimir gases o vapor
Según el flujo interno de gas dentro del compresor clasificaremos los compresores en:
Compresores centrífugos
En ellos el flujo de gas es radial y la transferencia de energía se debe predominantemente a un cambio en las fuerzas centrifugas actuantes sobre el gas
Compresores axiales
En ellos el flujo de gas es paralelo al eje del compresor. En ellos el gas es comprimido en pasos sucesivos. Cada paso está compuesto por una corona móvil solidaria al rotor y otra fija perteneciente a la carcasa. La energía se transfiere al gas en forma de momento cinético por la corona móvil, para pasar a continuación a la fija donde transforma su velocidad en presión.
Compresores de tornillo o helicoidales
Este tipo de compresor consiste básicamente en dos rotores helicoidales situados dentro de la carcasa de la bomba. Por su movimiento absorben gas que posteriormente se comprime dentro de la cámara helicoidal formada éntrelos rotores y la carcasa. Como se ve en la figura. Los rotores difieren en su forma de manera que ajusten entre sí formando un cierre hermético por el cual no pueda escapar el gas al ser comprimido.
Ventajas y desventajas en compresores
Compresor alternativo
Ventajas
Precio hasta un 50% más barato que su equivalente en compresores de otro tipo. Mantenimiento frecuente pero sencillo y conocido por prácticamente todo el personal mecánico: El mantenimiento de un compresor alternativo se realiza cada 10.000 horas aproximadamente y varía según potencia y fabricante. Como norma, podemos decir que a menor potencia menor mantenimiento. Sigue siendo el compresor que más se emplea en la industria en general. Permite alcanzar valores altos de presión usando varias etapas.
Inconvenientes
Regulación de capacidad por etapas. Frecuentes mantenimientos. Con el uso de varias etapas se vuelve necesario disponer de un mayor espacio para albergar el compresor. La presencia de un líquido dentro del cilindro es peligrosa para el equipo, ya que al ser incompresible el cigüeñal de la máquina puede resultar dañado al intentar hacerlo. Adicionalmente la lubricación de las paredes del cilindro puede ser destruida por el líquido que pudiera entraren él.Los compresores alternativos suministran un flujo pulsante de gas. En algunas aplicaciones esto es contraproducente por lo que se dispone de Este problema se soluciona disponiendo a la salida del compresor un depósito anti pulsante, en el que se atenúan las variaciones de presionen el flujo. Las vibraciones que produce este tipo de compresores deben tomarse en cuenta a la hora de la instalación.
Compresor centrífugo
Ventajas
Los compresores centrífugos son accionados directamente por una máquina rápida como un motor eléctrico o una turbina de gas mientras que en los otros se debe usarse una transmisión reductora.
Se pueden obtener grandes volúmenes de producción de aire comprimido en un área de tamaño pequeño. Esto puede ser una ventaja cuando el terreno es muy costoso. La ausencia de piezas rodantes en la corriente de compresión permite
aire escape a la atmósfera. Una válvula antirretorno impide que el depósito se vacíe (sólo en instalaciones muy pequeñas).
b) Regulación por aislamiento de la aspiración
En este tipo de regulación se bloquea el lado de aspiración. La tubuladura de aspiración del compresor está cerrada. El compresor no puede aspirar y sigue funcionando en el margen de depresión. Esta regulación se utiliza principalmente en los compresores rotativos y también en los de émbolo oscilante.
c) Regulación por apertura de la aspiración
Se utiliza en compresores de émbolo de tamaño mayor. Por medio de una mordaza se mantiene abierta la válvula de aspiración y el aire circula sin que el compresor lo comprima. Esta regulación es muy sencilla.
Regulación de carga parcial
e) Regulación de la velocidad de rotación
El regulador de velocidad del motor de combustión interna se ajusta en función de la presión de servicio deseada, por medio de un elemento de
mando manual o automático. Si el accionamiento es eléctrico, la velocidad
de rotación puede regularse de forma progresiva empleando motores de polos conmutables. No obstante, este procedimiento no es muy utilizado.
b) Regulación del caudal aspirado
Se obtiene por simple estrangulación de la tabuladora de aspiración. El compresor puede ajustarse así a cargas parciales predeterminadas. Este sistema se presenta en compresores rotativos o en turbocompresores.
Regulación por Intermitencias
Con este sistema, el compresor tiene dos estados de servicio (funciona a plena carga o está desconectado). El motor de accionamiento del compresor separa al alcanzar la presión Pmax. Se conecta de nuevo y el compresor trabaja, al alcanzar el valor mínimo Pmin.
Los momentos de conexión y desconexión pueden ajustarse mediante un presóstato. Para mantener la frecuencia de conmutación dentro de los límites admisibles, es necesario prever un depósito de gran capacidad.
Selección de compresor
Al seleccionar un compresor es importante que pensemos bien lo que queremos y cuál va a ser la utilidad que le vamos a dar, pues hay mucha
variedad de compresores en el mercado y no todos tienen las mismas prestaciones. Así pues, veamos cuales son los aspectos más importantes en los que tenemos que fijarnos para realizar una compra acertada.
Definamos varios aspectos importantes a la hora de elegir un compresor y cómo influyen en el trabajo que queramos realizar:
Movilidad Potencia Capacidad del depósito Energía eléctrica Sonidos y vibraciones Transmisión Lubricación
Empecemos por la movilidad. Entre los compresores industriales, los compresores más fáciles de mover son los que ocupan menor espacio y poco peso, son indicados para utilizar por montadores, por ejemplo, que tiene que subir a las casas en las que tenga que trabajar y moverse en coche o furgoneta de un sitio para otro, no será fácil llevar un compresor muy voluminoso, pues continuamente estará moviéndolo y cargando con su peso. En el siguiente nivel estarían los compresores que queramos utilizar en una nave, local o vivienda, con lo que tengamos que moverlo de un sitio a otro pero en la misma localización. Para esta tarea es conveniente un compresor que disponga de ruedas, para su cómodo desplazamiento, si bien no importa tanto el volumen y el peso. Por último tendremos los compresores que no van a desplazarse, se utilizan en un punto fijo o para alimentar una instalación de aire comprimido. El tamaño del compresor y las ruedas no tienen importancia, pues no se va a desplazar, teniendo que fijarnos más en las otras características.
Otro parámetro importante en un compresor es la potencia. La potencia del motor del compresor se mide en Caballos (HP) o en Kilo-Watts (Kw). La potencia del motor nos va a dar una idea de la capacidad de generar aire del compresor, aunque esta no es una relación directa, pues en el cálculo del caudal influyen otras variables como las revoluciones del motor o el tamaño del pistón. Tendremos que calcular la cantidad de aire consumida por la maquinaria que queramos utilizar con el compresor y calcular un 25% más para no quedarnos justos y poder trabajar sin saltos en el suministro.
Para determinar la capacidad del depósito óptimo para nuestro trabajo, tenemos que tener en cuenta el volumen de aire consumido y la presión necesaria para las maquinas neumáticas que utilicemos. Para un mismo trabajo, un compresor con un depósito más pequeño tendremos más arrancadas del compresor, pues cuando el depósito se vacíe de aire, entrará a funcionar el compresor de nuevo. Para consumos de aire grandes, se recomienda un depósito grande, que evite que el motor del compresor este continuamente funcionando.
El uso de los compresores requiere una gran cantidad de energía eléctrica por lo que es necesario en muchos casos una línea independiente o requerimientos especiales de conexión.
Acumulador
El tamaño de un acumulador de aire comprimido depende:
Del caudal de suministro del compresor
Del consumo de aire
De la red de tuberías (volumen suplementario)
Del tipo de regulación
De la diferencia de presión admisible en el interior de la red.
Secadores
Se utilizan para secar el Aire Comprimido, con la finalidad de eliminar la humedad y aerosoles de aceite presentes en la Linea, se tienen diferentes tipos de secadores, de acuerdo a la necesidad.
A continuación se muestran algunos tipos de secadores y filtros para Aire Comprimido.
Secadores Autor regenerativos
El aire húmedo entra en el secador, fluye a través de la válvula de entrada que cambia a la Torre 1 donde el aire está seco, y un sistema de válvulas de no retorno a la toma de corriente del secador.
Secadores de Membrana
La tecnología de separación de gases a través de membranas, utilizada durante muchos años para generar nitrógeno, ahora se utiliza ampliamente para secar aire comprimido. La operación del secador de membrana es simple y confiable. El aire comprimido, saturado con vapor de agua, pasa a través de un grupo de membranas en forma de tubo (similares a
minúsculos popotes). El vapor de agua (y una parte del aire comprimido que se utiliza para barrer el vapor de agua hacia fuera del secador) pasa a través de las paredes de la membrana.
Secadores Refrigerativos
El aire comprimido, saturado con vapor de agua, entra al intercambiador de calor aire – aire donde se pre- enfría con el aire frío de salida, posteriormente entra al intercambiador de calor aire – refrigerante donde el sistema de refrigeración lo enfría. Al enfriarse el aire, el vapor de agua se condensa formando pequeñas gotas que se eliminan en el separador y se descargan del secador en el dren automático.
Red de distribución
Llamaremos red de distribución al sistema de tubos que permite transportar la energía de presión neumática hasta el punto de utilización. Esta red puede ser externa (cuando esta instalada a la intemperie) o interna (cuando corre bajo cubierta). Desde el punto de vista de su posición, puede ser aérea o subterránea y desde el punto de vista de su importancia de su distribución, puede ser primaria o secundaria. Las redes de distribución se dividen en tres grandes grupos, a saer:
ABIERTA: a medida que el aire avanza va abasteciendo a los consumos
CERRADA O ANULAR: el consumidor está abastecido desde cualquiera de las dos direcciones posibles
INTERCONECTADA: combinación de las dos anteriores, es la más recomendada
uso de toma diferente para la conexión de esos elementos.
Simbología neumática
Tratamiento de aire Cilindros
Símbolo: Descripción: Símbolo: Descripción: Filtro con purga de agua manual.
De simple efecto. Retorno por muelle.
Filtro con purga de agua automática.
De simple efecto. Retorno por fuerza externa.
Filtro en general.
De doble efecto.
Refrigerador. De doble efecto con amortiguador.
Secador. De doble efecto con doble vástago.
Lubrificador. De simle efecto telescópico.
Unidad de acondicionamien to.
Lineal sin vástago.
Compresor. Accionador angular.
Generador de vacio.
Motor neumático de un solo sentido de giro.
Termómetro. Motor neumático de dos sentidos de giro.
Manómetro.
Silenciador.
Tanque.
Válvulas Acondicionamiento
Símbolo: Descripción: Símbolo: Descripción: Regulador de caudal unidireccional.
Enganche con enclavamiento.
Válvula selectora. Pulsador de emergencia. Seta.
Escape rápido. Pulsador en general.
Antirretorno. Tirador.
Antirretorno con resorte.
Accionamiento por leva.
Regulador de presión.
Accionamiento por rodillo.
Regulador de presión con escape.
Accionamiento por presión.
Bifurcador de caudal.
Accionamiento por rodillo escamoteable.
Regualdor de caudal.
Electroválvula.
Regulador constante de cauda.
Accionamiento por Motor eléctrico.
Válvula 5/3. Accionamiento por Palanca.
Válvula 5/2. Accionamiento por Pedal
Válvula 4/3. Retorno por muelle.
Válvula 4/3. Electroválvula servopilotada.
Válvula 4/2. Electroválvula servopilotada gobernable manualmente. Válvula 3/3. Detector neumático.
Válvula 3/2. Final de carrera accionado.
Válvula 3/2.
Válvula 2/2.
Válvula 2/2.
