Neumática e Hidráulica

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1 Neumática e Hidráulica N. T0.- Introducción a la Neumática Las trasparencias son el material de apoyo del profesor para impartir la clase. No son apuntes de la asignatura. l alumno le pueden servir como guía para recopilar información (libros, ) y elaborar sus propios apuntes Departamento: rea: Ingeniería Eléctrica y Energética Máquinas y Motores Térmicos CRLOS J RENEDO Despachos: ETSN 36 / ETSIIT S-3 8 Tlfn: ETSN / ETSIIT T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Neumática: técnica que utiliza el aire comprimido (p > p atm ) para trasmitir energía si (p < p atm técnicas de vacío) Frente a la energía eléctrica: Ventajas Regulación de velocidad sencilla (estrangulación) Fácil almacenamiento de energía Elementos de funcionamiento sencillo Sistema seguro, las fugas no son peligrosas, sin peligro de incendio o explosiones Fácil bloqueo de los actuadores Inconvenientes: Mayor coste de la energía E Neu = 0 E Elec Velocidad de transmisión reducida (< 0 m/s) Distancias de transporte limitadas (< km) Frente a la hidráulica: Ventajas Mayor velocidad de transmisión (0 m/s frente a 3 m/s) No necesita tuberías de retorno Fugas limpias Mayor distancia de transporte ( km frente a 00 m) Menos sensible a los cambios de Tª Componentes más baratos Inconvenientes: Presión de trabajo limitada ( bars frente a ) Mayor coste de la energía E Neu =,5 E Hid Permiten mayores fuerzas (F Neu < N ; F Hid ) Ruido en los escapes La compresibilidad del aire puede acarrear movimientos inversos

2 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Magnitudes, unidades, equivalencias y Leyes de comportamiento Fuerza: (masa. aceleración) Newton, N = kg.m/s kg f = kp = 9,8 N Peso específico: (peso / vol = densidad.g) N / m 3 = (k / m 3 ).(m/s ) = (kg.m/s)/ m 3 Presión : (fuerza / superficie) Pascal, Pa = N/m bar = Pa P abs = P atm + P man Trabajo: (fuerza. desplazamiento) Julio, J = N.m Potencia: (trabajo / tiempo) Vatio, W = J / s CV = 736 W Ecuación fundamental de la Hidrostática P -P B = ρ.g.(h -h B ) = γ.(h -h B ) En los gases perfectos: P.V = n.r.t Si T = cte: P.V = cte (P es P abs ) Si P = cte: T / V = cte (T en K) Si V = cte: P / T = cte (P es P abs, T en K) Proceso rápido (adiabático, sin Q) P.V γ = cte (γ aire =,4) Caudal: Peso de un flujo: Masa de un flujo: 3 [m / s] W = γ Q M = ρ Q [Nw / s] [kg / s] 3 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Ec de la continuidad de un flujo M = ρ Q = ρ ρ V ) = ( V ) M Q [ g] ( ρ γ = γ V V La energía total de un fluido es: Si el fluido es incompresible (en tubería corta), y γ = γ Q = Q = V V E = E pot + E c + E pres = w z + w V g p w + γ [J] [ siendo w el peso] Se puede expresar, ( /w), en unidades de altura, y es la altura de carga H V p z cota o cabeza de elevación H = z + + [m] [V g γ /g] altura de velocidad o cab. de vel. [p/γ] altura de presión o cab. de presión V p + = V p z H aña Hext Hper z [m] g γ g γ 4

3 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC La potencia de un flujo es: Pot = γ Q H 3 [ Nw / m 3 m / seg m = Nw m / seg = J/ seg = W] Viscosidad: resistencia a fluir, a la velocidad de deformación (entre las capas del fluido) V. Dinámica, µ [ Pa s]: dv τ = µ dy gua ire 0-3 Pa s,8 0-5 Pa s Líquidos µ al Tª Gas µ al Tª V. Cinemática, ν [m /s]: µ ν = ρ = µ µ g = γ / g γ gua ire, 0-6 m / s,5 0-5 m / s Poisse:.000 cpoise = Pa s Stoke: Stokes = m /s 5 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC IRE Densidad, ρ Peso específico, γ Visco.cinem., ν Visco. dinámica, µ ºC kg / m 3 Nw/m 3 (m /s) (Nw s / m ) 0,9,7 3,3 0-6, ,,8 5, 0-6, ,09 0,7 7,9 0-6, ,8 0,9 0-6, ,95 9, ,3 0-5 GU Densidad, ρ Peso específico, γ Visco. dinámica, µ Tensión superficial Presión vapor Mod elas. E ºC kg / m 3 knw/m 3 (Nw s / m ) (Nw / m) kpa GPa ,8, ,0756 0,6, ,79, ,078,34, ,69 5, ,0679,3, ,53 9,4 3,5 0-4, ,066 0, ,4 0,3,,07 6

4 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC plicaciones neumáticas e hidráulicas (I) 7 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC plicaciones neumáticas e hidráulicas (II) Multiplicador de fuerza (I) F p = p = p Primera aproximación Sin diferencia de cotas F = F F F = F = F Incremento de fuerza producido rea requerida 8

5 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC plicaciones neumáticas e hidráulicas (III) Multiplicador de fuerza (II) Coche de.500 kg f de 5 x 5 cm de x.000 cm F = F 5 cm (.500 kg 9,8 m/ s ) = 0,037 N 0,0037 f F = 0 0 cm = f kg 6 Muy sensible 9 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC plicaciones neumáticas e hidráulicas (IV) Multiplicador de fuerza (III) Coche de.500 kg f de 5 x 5 cm F de 0 kg f F = F (.500 kgf 9,8 m/ s ) ( 0 kg 9,8 m/ s ) = 5 cm = cm f 6x 6cm 0

6 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC plicaciones neumáticas e hidráulicas (V) Multiplicador de distancia (I) [ V.d. ] = [ V.d. ] Volumen desplazado = S = S S S = S = S S Multiplicador de distancia rea requerida T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC plicaciones neumáticas e hidráulicas (VI) Multiplicador de distancia (II) de 5 x 5 cm de 6 x 6 cm S de 0,5 m S = S S = cm = 0,5 m 5 cm 75 m No práctico

7 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC plicaciones neumáticas e hidráulicas (VII) Multiplicador de distancia (III) de 6 x 6 cm S de m S de 0,5 m = S S Compaginar: fuerzas, áreas y distancias Posible enlazar varios sistemas 0,5 m S = cm = 937,5 cm 3x 3cm m 937,5 cm (.500 kg 9,8 m/ s ) = N 370 f F = 3.7 cm = f kg 3 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC plicaciones neumáticas e hidráulicas (VIII) Multiplicador de presión (I) F F = p = F p = p p = p Multiplicador de presión Equilibrio = p p rea requerida 4

8 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC plicaciones neumáticas e hidráulicas (IX) Multiplicador de presión (II) Posible problema de sobre presiones p = p 5 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Humedad del aire (I) El aire atmosférico contiene humedad ambiente (Diagrama Psicrométrico) ire Saturado: aire que contiene toda la humedad posible, si se añade más agua esta condensa; la cantidad de agua depende de las condiciones del aire Humedad bsoluta (W): Cantidad de agua contenida por m 3 de aire Humedad Relativa (HR): porcentaje de humedad del aire sobre la humedad máxima T rocío : Temperatura por debajo de la cual la humedad ambiente empieza a condensar 6

9 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Humedad del aire (II) Termómetros: Temperatura de bulbo seco, T BS (T aire ) T BS T BH Temperatura de bulbo húmedo, T BH (T agua ) T BS = T BH aire saturado T BS > T BH aire no saturado (T BS T BH ) en tablas HR ire (T BS T BH ) Si (T BS >>> T BH ) HR baja Si (T BS T BH ) HR alta gasa humedecida 7 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Humedad del aire (III) La cantidad de agua que es capaz de contener m 3 de aire es función de su temperatura, y no de su presión. W max = f (T) l comprimir el aire V HR Predominante l comprimir el aire T HR 0 m 3, bar, 0ºC 0 gr agua /m 3 (00 gr de agua) Compresión supuesta adiabática Utilizando Progases,9 m 3 0 bar 88ºC (00 gr de agua) 5 gr agua / m 3 8

10 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Humedad del aire (IV) Si a 0ºC y 0 gr/m 3 se comprime hasta 88ºC y 5 gr/m 3 Se enfriará a T ambiente en tuberías y/o acumulador Condensará 9 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Humedad del aire (V) La utilización real del diagrama es con horizontales sobre la T ambiente Utilizando Progases Condensa Mín vol 4,545 m 3 Máx comp. 3 b, 9ºC Máx humedad g/m 3 0

11 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Humedad del aire (VI) P atm, el aire con 8gr/m 3 T R = 5ºC P = bar T R = 30ºC P = bar T R = 40ºC l P T R es más fácil que condense la humedad El agua es perjudicial en la instalación; hay que eliminarla T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Humedad del aire (VII) más fácil que condense la humedad aire con gr/m 3

12 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Tratamiento del aire (I) El aire contiene impurezas (óxidos, virutas, ) y humedad, que son perjudiciales para los dispositivos de la instalación En la toma de aire (aspiración del compresor) hay que instalar un filtro grueso Se pude disponer un enfriador de aire, mejora el rendimiento del compresor, y seca el aire Si la compresión es por etapas se debe instalar una refrigeración intermedia En la salida del compresor se instala una unidad de refrigeración, un depósito de purga de condensados, y el depósito acumulador Finalmente se instala una unidad de mantenimiento: filtro, regulador de presión y lubricador 3 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Tratamiento del aire (II) Filtro de aire: retienen partículas sólidas y agua condensada (cambio de dirección, choque, centrifugado, filtro; purga Presión y Tª máxima admisible Filtros secadores: material adsorbente Regulador de presión: consigue P estable en la instalación (la P del compresor es mayor que la de uso, el acumulador y el regulador reducen el nº de arranques del compresor Resortes y membranas Manómetro Lubricadores: disminuir el desgaste de las partes móviles Fina niebla de aceite en el aire comprimido (efecto Venturi) 4

13 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Tratamiento del aire (III) Filtro de aire: 5 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Tratamiento del aire (IV) Unidad de mantenimiento: 6

14 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC En la cámara del cilindro de un compresor hay litro de aire (P atm ). Que presión se crearía si se redujera el volumen lentamente hasta 0, litros. 7 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC En un acumulador de 00 litros el manómetro marca 0 bar cuando la T es de 0ºC. Que presión marcará si la T sube a 35ºC. 8

15 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC En un acumulador de 00 litros el manómetro marca 0 bar cuando la T es de 00ºC. Que presión marcará si la T baja a 0ºC. 9 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Un cilindro vertical que soporta una masa de 70 kg, contiene en su cámara un volumen de 5 litros de aire a 0ºC. Cuanto se eleva la masa si su temperatura asciende a 50ºC. (sección del cilindro 0 cm ) 30

16 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC El émbolo de un compresor aspira litro de aire atmosférico a 0ºC. Cuando el volumen se ha reducido a 0,5 litros se abre la válvula de impulsión y el aire va hacia un acumulador, a que presión relativa es impulsado, a que T (suponer sin intercambio de calor)?, qué presión habrá después de llenar un acumulador de 50 litros si se refrigera a 5ºC? 3 T 0.- INTRODUCCION L NEUMTIC Un compresor aspira 6 m 3 /min de aire a 0ºC y un 60% de HR. Si el aire en la instalación está a 6 bar y 30ºC, calcular la cantidad de agua que condensa al cabo de 8 h de trabajo 3

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