NEUMÁTICA E HIDRÁULICA SESIÓN 2. Héctor Domínguez 7 de febrero 2011

Transcripción

1 NEUMÁTICA E HIDRÁULICA SESIÓN 2 Héctor Domínguez 7 de febrero 2011

2 CONTENIDO MEDICIÓN DE LA PRESIÓN REGULADORES DE PRESIÓN CAÍDAS DE PRESIÓN

3 MEDICIÓN DE LA PRESIÓN El instrumento que mide la presión de fuidos se denomina Manómetro. A menudo se usa este término para referirse específicamente a los instrumentos de la columna hidrostática de algún líquido. Aunque no hay presión como una cantidad absoluta, las mediciones diarias de presión, como la presión neumática, por regla general, es una relación respecto a la presión del aire ambiental.

4 MANOMETRO

5 Existen tres términos relacionados a la medición de la presión: La presión absoluta hace referencia a un vacío perfecto, por lo que es igual a medir la presión atmosférica más la presión en cuestión. La presión manométrica se referencia contra la presión del aire ambiente, por lo que es igual a la presión absoluta menos la presión atmosférica. Los signos negativos por lo general se omiten. La presión diferencial es la diferencia de presión entre dos puntos.

6 Las PRESIONES DIFERENCIALES se utilizan comúnmente en los sistemas industriales. Los medidores de presión diferencial con dos puertos de entrada, cada uno conectado a uno de los volúmenes cuya presión debe ser supervisada. El medidor realiza la operación matemática de la resta a través de medios mecánicos, evitando la necesidad de un sistema de operador o de control para ver dos indicadores por separado y determinar la diferencia en las lecturas.

7 LA PRESIÓN ESTÁTICA Y DINÁMICA La presión estática es uniforme en todas las direcciones, por lo que las mediciones de presión son independientes de la dirección de un líquido inamovible (estática). El flujo, sin embargo, aplica una presión adicional en las superficies perpendiculares a su dirección, mientras que tiene poco impacto en las superficies paralelas a su dirección. Este componente direccional de la presión en un líquido en movimiento (dinámico) se llama presión dinámica.

8 Un instrumento orientado en la dirección de flujo mide la suma de las presiones estáticas y dinámicas; esta medida se llama la presión total o presión de estancamiento. Dado que la presión dinámica hace referencia a la presión estática, no es ni medidor ni absoluto, sino que es una presión diferencial. Mientras que la presión estática manométrica es de primordial importancia para la determinación de las cargas netas en las paredes de la tubería, la presión dinámica se utiliza para medir las tasas de flujo y velocidad.

9 INSTRUMENTOS Muchos instrumentos se han inventado para medir la presión, con diferentes ventajas y desventajas. Gama de presión, sensibilidad, respuesta dinámica y el costo total varía en varios órdenes de magnitud desde el diseño de un instrumento a otro. El tipo más antiguo es la columna de líquido (un tubo vertical lleno de mercurio) manómetro inventado por Evangelista Torricelli en El U-tubo fue inventado por Christian Huygens en 1661.

10 HIDROSTÁTICA Los indicadores hidrostáticos (como el manómetro de columna de mercurio) comparan la presión hidrostática a la fuerza por unidad de área en la base de una columna de líquido. mediciones hidrostática calibre son independientes del tipo de gas que se mide, y puede ser diseñado para tener una calibración muy lineal. Ellos tienen la respuesta dinámica pobres

11 TIPOS DE MEDIDORES HIDROSTÁTICOS Entre los medidores hidrostáticos podemos mencionar: Medidor de pistón Medidores de columna Medidor McLeod

12 MEDIDORES DE PISTÓN Tipo pistón contrarresta la presión de un fluido medida con un peso sólido o un resorte. Otro nombre para la galga del pistón es medidor de peso muerto. Por ejemplo, los medidores de peso muerto se utilizan en la calibración o medición de presión de neumáticos.

13 MEDIDORES DE COLUMNA La diferencia de altura del líquido en un manómetro de columna es proporcional a la diferencia de presión. Los medidores de columna consisten en una columna vertical de líquido dentro de un tubo de cuyos extremos están expuestos a diferentes presiones. El nivel del líquido se alza o baja hasta que su peso está en equilibrio con la diferencia de presión entre los dos extremos del tubo.

14 MEDIDORES DE COLUMNA Una versión muy simple es una forma de tubo en U medio llena de líquido, uno de cuyos lados está conectado a la región de interés, mientras que la referencia de presión (que podría ser la presión atmosférica o una aspiradora) se aplica al otro extremo.

15 MEDIDORES DE COLUMNA La diferencia de nivel de líquido representa la presión aplicada. La presión ejercida por una columna de líquido de altura h y densidad ρ está dada por la ecuación de la presión hidrostática, P = hgρ. Por lo tanto la diferencia de presión entre la presión aplicada P y la presión de referencia P0 en un tubo del manómetro en U se puede encontrar de P - P0 = hgρ. P a P 0 H= g

16 MEDIDOR MCLEOD Un medidor McLeod aísla una muestra de gas y lo comprime en un manómetro de mercurio modificado hasta que la presión es de unos pocos mmhg. El gas debe ser de adecuado durante su compresión (por ejemplo, no debe condensar). La técnica es lenta e inadecuada a la constante monitoreo, pero es capaz de obtener buena precisión. Su rango de interés: por encima de 10-4 Torr [3] (alrededor de 10-2 Pa) tan alto como 10-6 Torr (0,1 MPa),

17 MEDIDORES ANEROIDES Los medidores aneroides se basan en la detección de la presión mediante un elemento metálico que se dobla elásticamente bajo el efecto de una diferencia de presión. "Aneroide" significa "sin fluido", y el término originalmente distinguen estos indicadores de los indicadores hidrostáticos se describieron anteriormente. Los medidores aneroides se pueden utilizar para medir presión de un líquido o un gas, y no son el único tipo de medidores que pueden operar sin líquido. Por esta razón, a menudo se llaman los medidores mecánicos en el lenguaje moderno.

18 TIPOS DE MEDIDORES ANEROIDES Medidor Bourdon Medidores de diafragma

19 MEDIDOR BOURDON El manómetro de Bourdon utiliza el principio de que un tubo aplanado sujeto a presión tiende a hacerse más de sección circular. A pesar de que este cambio en la sección transversal puede ser apenas perceptible, y por lo tanto la participación moderada tensiones dentro del rango elástico de materiales fácilmente realizable, la tensión del material del tubo es magnificado por la forma del tubo en C o incluso en hélice, por ejemplo todo tubo tiende a enderezarse o desenrollarse, elásticamente, cuando se somete a presión.

20 MEDIDOR BOURDON

21 MEDIDORES DE DIAFRAGMA Este medidor aneroide utiliza la desviación de una membrana flexible que separa regiones de diferente presión. La cantidad de desviación es repetible para presiones conocidas por lo que la presión se puede determinar mediante el uso de la calibración. La deformación de una membrana delgada depende de la diferencia de presión entre sus dos caras. La deformación se puede medir mediante métodos mecánicos, ópticos o capacitivos. Rango de interés: por encima de 10-2 Torr [7] (alrededor de 1 Pa )

22 PRINCIPIO DE BERNOULLI El principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente. La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes: Cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido. Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea. Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee.

23 La siguiente ecuación conocida como "Ecuación de Bernoulli" (Trinomio de Bernoulli) consta de estos mismos términos. 2 V p P g z=constante 2 donde V = velocidad del fluido en la sección considerada. g = aceleración gravitatoria z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia. P = presión a lo largo de la línea de corriente. ρ = densidad del fluido.

24 También podemos reescribir este principio en forma de suma de presiones multiplicando toda la ecuación por γ, de esta forma el término relativo a la velocidad se llamará presión dinámica, los términos de presión y altura se agrupan en la presión estática. 2 donde V P z=constante 2 p q=p 0 V p es la presión dinámica 2 q es la presión estática P0 es una constante 2 P z

25 Esta ecuación permite explicar fenómenos como el efecto Venturi, ya que la aceleración de cualquier fluido en un camino equipotencial (con igual energía potencial) implicaría una disminución de la presión.

26 REGULADORES DE PRESIÓN Los reguladores de presión son aparatos de control de flujo diseñados para mantener una presión constante aguas a bajo de los mismos. Éste debe ser capaz de mantener la presión, sin afectarse por cambios en las condiciones operativas del proceso para el cual trabaja. La selección, operación y mantenimiento correcto de los reguladores garantiza el buen desempeño operativo del equipo al cual provee el gas.

27 USOS DE UN REGULADOR DE PRESIÓN Como un elemento de control, para asegurar que la presión no exceda un valor determinado. Como un dispositivo de seguridad, para proteger el equipo de alguna sobre presión dañina. Para regular al rango adecuado de presión, de forma que un sistema o una pieza de un equipo pueda operar segura y eficientemente. 'Un regulador de presión es una válvula normalmente abierta que toma una presión alta y la convierte en una presión de flujo de menor valor

28 FUNCIONAMIENTO DE LOS REGULADORES DE PRESIÓN Un regulador es básicamente una válvula de recorrido ajustable conectada mecánicamente a un diafragma. El diafragma se equilibra con la presión de salida o presión de entrega y por una fuerza aplicada al lado contrario, a la cara que tiene contacto con la presión de salida. La fuerza aplicada al lado opuesto al diafragma puede ser suministrada por un resorte, un peso o presión aportada por otro instrumento denominado piloto. El piloto es por lo general, otro regulador más pequeño o un equipo de control de presión.

29 Los reguladores auto operados funcionan bajo el principio de equilibrio de fuerzas. Esencialmente, las fuerza aplicadas en la zona de alta presión (Pe), aguas arriba, se equilibran o balancean con las fuerzas de la zona de baja presión (Ps), aguas abajo. Este equilibrio de fuerzas es causada por la distribución de la energía (presión)en áreas desiguales, de acuerdo a la siguiente ecuación: F=PA Donde F = Fuerza (Lbf) ó (Nw) A = Area (In²) ó (m²) P = Presión (Lbf / in²) ó (Kpa)

30 De acuerdo a esto, la fuerza que actúa en la zona de baja presión, se distribuye en una superficie más grande que la fuerza que se aplica en la zona de alta presión. Debido a la diferencias de áreas se logra el equilibrio entre ambas zonas F1 A1 = F2 A2 La fuerza a la entrada puede ser considerada como fuerza de apertura, la cual se balancea a su vez con la fuerza de cierre. Para ajustar la presión aguas abajo, se introduce una tercera fuerza en la ecuación, esta fuerza es llamada fuerza de control, ejercida por un resorte o artefacto que suministra una presión o energía adicional.

31 En el caso del regulador esquemático la fuerza de control la suministra un resorte y se considera como parte de la fuerza de apertura. El equilibrio matemático de fuerza se expresaría de al siguiente manera. Fentrada + Fresorte = Fsalida El equilibrio de fuerzas de apertura y cierre de la válvula reguladora se lleva a cabo mientras el equipo opera en estado de flujo estable. Con base en las ecuaciones, se reconoce que si la presión de entrada permanece constante los cambios en la presión de salida son compensados por cambios en la fuerza que aplica el resorte, logrando así el balance.

32 La fuerza ejercida por el resorte se expresa con la siguiente ecuación, conocida como "Ley de Hooke". F = -K X Donde F = Fuerza (lbf) ó (Nw) K = Constante de elasticidad del resorte (Lbf / in) ó (Nw / m) X = Deformación del resorte, (in) ó (m) A medida que el vástago de la válvula reguladora se desplaza, el resorte se deforma. Cambiando de esa manera la fuerza ejercida por el resorte. Los cambios en la fuerza suministrada por el resorte significan cambios en la presión de entrega.

33 TIPOS DE REGULADORES DE PRESIÓN Reguladores de diafragma Reguladores de fuelle

34 REGULADOR DE DIAFRAGMA El diafragma es un disco flexible generalmente con corrugaciones concéntricas, tal como se muestra en la figura. Los diafragmas pueden ser metálicos y no metálicos. Entre los materiales comúnmente más utilizados se encuentran: bronce, cobre-berilio, acero inoxidable, Monel, neopreno, siliconas y teflón.

35 REGULADODR DE DIAFRAMA DE UNA ETAPA

36 REGULADODR DE DIAFRAMA DE DOS ETAPAS

37 REGULADOR DE FUELLE Un fuelle puede definirse como un tubo flexible, el cual cambia su longitud de acuerdo a la presión aplicada. Este cambio de longitud es mucho mayor que el que se obtendría si se utilizara un tubo Bourdon de las mismas características.

38 REGULADOR DE FUELLE Para producir una relación lineal entre el desplazamiento del fuelle y la presión aplicada, es práctica común colocar un resorte dentro del fuelle, tal como se muestra.

39 CAÍDA DE PRESIÓN EN TUBERÍAS Es importante notar que la perdida de presión en tuberías "solo" se produce cuando el fluido esta en "movimiento" es decir cuando hay circulación. Cuando esta cesa, caso de la figura las caídas de presión desaparecen y los tres manómetros darán idéntico valor.

40 CAÍDA DE PRESIÓN EN TUBERÍAS Si al mismo circuito de la figura anterior le retiramos el tapón del extremo aparecerán perdidas de presión por circulación que podemos leer en los manómetros. Cuando mas larga sea la tubería y mas severas las restricciones mayores serán las perdidas de presión.

41 CAÍDA DE PRESIÓN EN TUBERÍAS Si quitamos las restricciones una gran proporción de la perdida de presión desaparece. En un sistema bien dimensionado, la perdida de presión natural a través de la tubería y válvulas será realmente pequeña como lo indican los manómetros

42 CAÍDAS DE PRESIÓN EN VÁLVULAS. Las válvulas presentan perdidas de presión localizadas, por ello deben ser correctamente dimensionadas. Una válvula subdimensionada provocará perdidas de potencia y velocidad, una sobre dimensionada será económicamente cara.

43 VÁLVULAS NEUMÁTICAS. El tamaño de los orificios de conexión de los cilindros neumáticos es una guía razonable para el tamaño de la válvula. Como excepción se presentan los siguientes casos: Cuando una válvula comanda varios cilindros. Cuando se requieren altas velocidades de operación en un cilindro. Cuando el cilindro operara siempre a bajas velocidades

44 PÉRDIDA DE PRESIÓN EN UN CIRCUITO AUTOMÁTICO No todas las caídas de presión son malas. En la figura siguiente hay un diagrama que ilustra una técnica importante utilizada en la automación de circuitos, y aplicada en neumática e hidráulica. Cuando el cilindro llega a su posición de trabajo, una señal eléctrica es obtenida para poner en funcionamiento la próxima operación en un ciclo automático.

45 Nuestra descripción comienza con plena presión disponible en la bomba o compresor, pero con la válvula de control cerrada, de manera que el cilindro se encuentra retraído El primer manómetro indica 100 PSI (7Kg/cm2). Las dos restantes indican 0. El presostato está ajustado a 80 PSI. Con la válvula abierta, el fluido se dirige al cilindro. La restricción representa la pérdida de carga de una tubería.

46 Cuando el fluido comienza a circular, una perdida de presión es generada, y esta ilustrada por la lectura de los sucesivos manómetros. El cilindro se desplaza libremente, requiriendo solamente 20PSI para moverse; el remanente de presión disponible es consumido a lo largo de la línea. El regulador ajustado a 80 PSI no se conmuta mientras el cilindro hace su carrera libre. Cuando el cilindro llega al final de su carrera o a un tope positivo el movimiento de fluido cesa y en la cámara del cilindro (y en el presostato) la presión alcanza su valor máximo 100 PSI. Una señal eléctrica procedente del presostato comandará la siguiente función de un ciclo automático.

47 CONCLUSIONES Hemos visto generalidades de los instrumentos de medición de presión de fluidos. Formas en que la presión dentro de un medio transmisor, puede ser regulada, y Como es que se generan las caídas de presión en una línea de flujo y el efecto de las válvulas en estas caídas

48 TEMAS DE EXPOSICIONES Y PRE-REPORTES Válvulas y actuadores lineales, Neumáticos. Válvulas y actuadores rotatorios, Neumáticos Válvulas con actuadores especiales, Neumáticos. Circuitos Neumáticos simples Simulación de circuitos Neumáticos Circuitos Neumáticos y Electroneumáticos para desarrollo de proyectos mecatrónicos. Elementos Hidráulicos. Simulación de circuitos Hidráulicos Circuitos Hidráulicos y Electro hidráulicos para desarrollo de proyectos mecatrónicos.

49 PRÓXIMA SESIÓN NOMENCLATURA INTRODUCCIÓN A CIRCUITOS NEUMÁTICOS