Presión absoluta = Presión relativa + Presión atmosférica. Caudal

Transcripción

1 En busca de soluciones prácticas y económicas a las distintas situaciones a las que nos enfrentamos a diario, el ser humano ha ido desarrollando artilugios, a veces sencillos y en ocasiones sofisticados, que han introducido ventajas con respecto a otros que ya existían. Hemos visto cómo se consiguen multitud de útiles aplicaciones a través de sistemas mecánicos y circuitos eléctricos y vamos a ver ahora cómo se puede dar respuesta a través de fluidos, mediante circuitos neumáticos e hidráulicos, a algunas de ellas y a otras distintas que nos facilitan el trabajo diario. En esta ocasión será un fluido el que transmitirá la energía, a través de unos conductores, de un punto a otro. MAGNITUDES Presión La presión es la relación que existe entre la fuerza que se ejerce sobre un cuerpo y su superficie. F P = S En el sistema internacional la unidad de presión es el Pascal (Pa) dado que la unidad de medida de la fuerza es el Newton (N); la de la superficie el metro cuadrado (m 2 ) 1 Pa es igual a 1 N/m 2. No obstante la presión nos viene dada a menudo en atmósferas. Bares, kilopondios por centímetro cuadrado, etc. 1 bar = 1 atm = 10 5 Pa = 1 kp/cm La presión atmosférica es la presión que ejerce el aire de la atmósfera sobre cualquier cuerpo. Su valor es de 1,013 x 10 5 Pa. La presión se mide con el manómetro que nos proporciona una medida de presión relativa. La relación existente entre la presión absoluta y la relativa viene dada por la fórmula Caudal Presión absoluta = Presión relativa + Presión atmosférica El caudal expresa la cantidad de fluido que circula por una tubería por unidad de tiempo. V q = t Donde: q representa al caudal se expresa en m 3 /s en el Sistema internacional V al volumen expresado en m 3 en el SI y t al tiempo en segundos. El caudal suele ser expresado en litros por segundo (l/s), aunque también lo podemos encontrar en litros por minuto (l/mim). metros cúbicos por minuto (m 3 /min) o metros cúbicos por hora (m 3 /h) I.E.S. Cristóbal de Monroy.Dpto. De Tecnología página 1 de 11

2 Potencia Definimos potencia como la relación existente entre el trabajo y el tiempo. En neumática nos interesa conocer esta magnitud en función de la presión. dado que. a través de los manómetros. nos es fácil saber la presión que ejerce el fluido. A partir de la fórmula de potencia (P) en función del trabajo (T) y el tiempo (t) T P = t Y sabiendo que el trabajo (w). la presión (p) y el caudal (q) se. definen como: F T = F x e ; p = ; q = S x v S Siendo F = fuerza; e = espacio, S = superficie y v = velocidad. Despejamos la potencia en función de la velocidad del fluido: La unidad de potencia en el Sí es el Watio. ELEMENTOS DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO GENÉRICO. Según vimos en el esquema conceptual de la unidad, un circuito neumático/hidráulico está compuesto por generadores de energía. tuberías, actuadores, distribuidores, y elementos de protección y regulación que tienen como misión producir un trabajo. Siguiendo este esquema vamos a ver qué tipos de dispositivos existen en el mercado. y que función tiene cada uno de ellos. Generadores de energía I.E.S. Cristóbal de Monroy.Dpto. De Tecnología página 2 de 11

3 La energía que necesitamos para poner en marcha un circuito neumático o hidráulico nos la proporcionará, normalmente la corriente eléctrica o un combustible que pondrá en funcionamiento el equipo que nos proporcionara el aire a presión en el caso de un circuito neumático o el fluido, en las condiciones de presión adecuadas, en el caso de circuitos hidráulicos. Centrándonos en circuito neumáticos. necesitamos aumentar la presión del aire atmosférico para poner en funcionamiento un circuito y el elemento que desempeña esta función es el compresor. El aire que se introduce en el compresor debe ser lo más puro posible por lo que antes de introducirse en el compresor será conveniente hacerlo pasar por un filtro de aire. Existen básicamente dos tipos de compresores: Compresores de émbolo: actúan según el principio de desplazamiento y en ellos se realiza la admisión de aire en un recinto hermético y posteriormente se reduce su volumen. Compresores rotativos: actúan según el principio de la dinámica de fluidos y en ellos el aire aspirado se comprime al ir aumentando su velocidad. a) Compresores de émbolo: Compresores de émbolo alternativo: según vemos en la figura constan de una válvula de admisión y otra de escape. Al descender el émbolo (debido al movimiento circular del eje de un motor al que va conectado mediante una biela-manivela) se abre la válvula de admisión y se absorbe el aire atmosférico; al ascender el émbolo se cierra la válvula de admisión y se abre la de escape permitiendo la salida de aire comprimido a alta temperatura. Alrededor del pistón se sitúan aletas de refrigeración para descender la temperatura del aire comprimido. Para conseguir aire a presión más elevada se utilizan compresores de varias fases, en los cuales el aire es comprimido en distintas fases y el aire comprimido, a la salida de una fase, se refrigera y se introduce en otra fase donde otro émbolo realizará una nueva compresión del aire. b) Compresores rotativos: En ellos el nivel de ruidos es inferior. Se utilizan para presiones de aire inferiores a las anteriores. Es muy importante atender al grado de humedad del aire, si el aire comprimido contiene humedad tiene que ser sometido a un secado por absorción, por adsorción o por enfriamiento. El aire comprimido ha de ser tratado convenientemente antes de entrar en la red de distribución del mismo, para esto se dispone de una unidad de mantenimiento, que es una combinación de filtro de aire comprimido, regulador de presión, y lubricador de aire comprimido. Una vez obtenido el aire comprimido se dispondrá de un depósito que estabilice el suministro de aire comprimido. I.E.S. Cristóbal de Monroy.Dpto. De Tecnología página 3 de 11

4 Para proceder a la elección del compresor se tendrá en cuenta el caudal de aire que suministra el compresor la presión de servicio (la suministrada por el compresor), la forma de alimentación del compresor (eléctrico o por combustión), la forma de refrigeración del exceso de temperatura del que va acompañado el aire comprimido que puede ser por aire o por agua, el tipo de regulación para adaptar el caudal suministrado al requerido por el consumidor, y el acumulador de aire comprimido. El filtro de aire extrae las impurezas y el agua condensada que contiene el aire comprimido. El regulador de presión es necesario para mantener la presión de trabajo lo más constante posible y el lubricador de aire comprimido previene el desgaste de piezas móviles, y protege contra la corrosión. Una vez obtenido el aire comprimido se dispondrá de un depósito que estabilice el suministro de aire comprimido. Para proceder a la elección del compresor se tendrá en cuenta el caudal de aire que suministra el compresor, la presión de servicio (la suministra da por el compresor), la forma de alimentación del compresor (eléctrico o por combustión), la forma de refrigeración del exceso de temperatura del que va acompañado el aire comprimido que puede ser por aire o por agua, el tipo de regulación para adaptar el caudal suministrado al requerido por el consumidor, y el acumulador de aire comprimido. Distribución del aire comprimido La distribución del aire comprimido se realiza mediante tuberías que deben ser previamente calculadas en función del caudal que han de llevar, la longitud de la tubería, la pérdida de presión, la cantidad de estrangulamientos que haya en la red y la presión de servicio. Según la red forme un lazo cerrado o no, se denominan redes cerradas o abiertas. Las tuberías han de colocarse siempre de forma que sea fácil su manipulación para detectar y corregir posibles averías. Actuadores Son los elementos neumáticos de trabajo, que transforman la energía acumulada en el aire comprimido en un movimiento lineal (a través de cilindros) o de giro (a través de motores neumáticos) que desarrolla un trabajo. a) Cilindros: consisten en un cilindro hueco cerrado, dentro del cual se desplaza longitudinalmente un émbolo unido a un vástago que sobresale del cilindro a través de un orificio practicado en una de sus bases. En el cuerpo del cilindro se ubican los orificios de entrada y/o salida del aire. I.E.S. Cristóbal de Monroy.Dpto. De Tecnología página 4 de 11

5 Tipos de cilindros: 1. Cilindro de simple efecto: el aire a presión se absorbe por la entrada de aire del cilindro y hace desplazarse al émbolo expulsando al exterior el aire que comprime en la cámara anterior. El cilindro vuelve a su posición primitiva bien por la acción de un resorte o por una fuerza externa. Realiza trabajo en el sentido de desplazamiento del émbolo. (También se dispone de cilindros de simple efecto de membrana.) trabajo. Y la real: 2. Cilindro de doble efecto: los dos orificios de los que va provisto el cilindro hacen de orificios de entrada o salida en función de por dónde se introduzca el aire a presión en el mismo. Pueden realizar trabajo en los dos sentidos de desplazamiento del émbolo. La fuerza teórica ejercida por el actuador se calcula según la fórmula: F' teórica = A x p Donde A = superficie útil del émbolo y p = presión de F real = F teórica F rozamiento F muelle de recuperación La fuerza en el avance en cilindros de doble efecto coincide con la indicada anteriormente, y la fuerza en el retroceso sería: F teórica = A' x p Donde A' = A - A vástago (área útil del vástago) F rea l = F teórica F rozamiento F muelle de recuperación Los cilindros de doble efecto son los más utilizados a escala industrial, ya que presentan grandes ventajas respecto a los de simple efecto. Pueden desarrollar trabajo en ambos sentidos. No hay pérdida de esfuerzo por compresión del muelle de retorno. Su régimen de funcionamiento se puede ajustar con mucha precisión. La carrera, tanto de avance como de retroceso, corresponde a toda la longitud del cilindro. 3. Actuadores con movimiento giratorio: transforman la energía que contiene el aire comprimido en movimiento de giro mecánico. Existen varios tipos entre los que se encuentran motores de émbolo, de aletas, de engranajes y turbomotores. I.E.S. Cristóbal de Monroy.Dpto. De Tecnología página 5 de 11

6 Elementos de distribución o válvulas En neumática, las válvulas constituyen un elemento esencial del circuito. Una válvula neumática es un dispositivo que regula el paso del aire comprimido. Vamos a ocuparnos, en primer lugar, de las válvulas distribuidoras que son las encargadas de interrumpir, dejar pasar o desviar el aire comprimido Para identificar y representar simbólicamente una válvula según la norma ISO, hemos de tomar en consideración el tipo de válvula, el sentido de circulación del aire por su interior, los tipos de conexiones a las tuberías y los modos de mando y retomo. El tipo de válvula viene dado por dos cifras. La primera indica el número de orificios o vías de aire de que dispone y la segunda, número de posiciones de trabajo. Cada posición se indica por un cuadrado y el número de vías por el de líneas que de uno de ellos salen. Por consiguiente, una válvula 5/3 dispone de cinco orificios o vías y de tres posiciones de trabajo. El sentido de circulación del aire se indica mediante flechas que se insertan en el interior de cada cuadro. Las conexiones de los orificios vienen indicadas de forma diferente según se trate de una fuente de aire comprimido o una salida libre. Los modos de mando y retorno se representan a izquierda y derecha, respectivamente, y se simbolizan de diferente modo según el tipo Así, una válvula 5/3 se representará de la forma siguiente: Se trata de una válvula con cinco orificios o vías, y tres posiciones de trabajo. Tiene mando manual y retorno por resorte. Normalmente suele estar cerrada (NC), ya que el orificio 1 de entrada del aire comprimido está cerrado en posición inicial o de reposo. El aire puede circular alternativamente desde 1 hasta 2 ó 4 y sale al exterior cuando se comunican 2 con 3 y 4 con 5. I.E.S. Cristóbal de Monroy.Dpto. De Tecnología página 6 de 11

7 La válvula 2/2 Se trata de la válvula distribuidora más elemental. Según su denominación, dispone de dos orificios o vías para el aire y de dos posiciones de control o de trabajo. Vamos a analizar el funcionamiento de una válvula 2/2 NC del tipo corredera con mando manual y retorno neumático. Su representación simbólica será la siguiente: Funcionamiento de una válvula 2/2 NC En la posición de reposo o inicial, la entrada del aire por el orificio 1 está bloqueada, La válvula impide el paso del aire. En la posición de reposo o inicial, la entrada del aire por el orificio 1 está bloqueada, La válvula impide el paso del aire. Al cesar la presión sobre el vástago, el aire que penetra por el mando de retorno obliga a ascender al vástago y la válvula queda cerrada. Funcionamiento de una válvula 3/2 NC Según la simbología aceptada, este tipo de válvulas dispone de tres orificios o vías para el aire y dos posiciones de control o de trabajo. Analizaremos ahora el funcionamiento de una válvula 3/2 con mando manual y retorno por resorte, cuya representación simbólica será la siguiente: En la posición de reposo o inicial, la entrada del aire por el orificio 1 está bloqueada mientras quedan comunicados los orificios 2 y 3 para el escape o la descarga del aire. I.E.S. Cristóbal de Monroy.Dpto. De Tecnología página 7 de 11

8 Al presionar el vástago de forma manual, el orificio de entrada 1 queda comunicado con el 2 y el aire a presión pasa a través de la válvula. El orificio de salida 3 queda bloqueado. Al cesar la presión sobre el vástago, el muelle lo obliga a ascender hasta su posición inicial. De nuevo, se bloquea la entrada de aire a presión y se permite la salida por el orificio 3. La válvula 5/2 Este tipo de válvula posee cinco orificios o vías para el aire y dos posiciones de control o trabajo. El orificio 1 corresponde a la entrada del aire a presión, los señalados con los números 2 y 4 son los de utilización del aire y los que se indican con los números 3 y 5 muestran las salidas de escape. Funcionamiento de una válvula 5/2 En la posición inicial, los orificios 1 y 2 quedan comunicados, y el aire comprimido pasa a través de ellos hasta un actuador, A la vez, los orificios 4 y 5, también comunicados, permiten que el aire procedente del cilindro actuador se escape al exterior. EI orificio 3 permanece bloqueado. I.E.S. Cristóbal de Monroy.Dpto. De Tecnología página 8 de 11

9 Al presionar el vástago por medio de la palanca, se comunican los orificios 1 y 4, con lo que el aire a presión pasa hasta el segundo actuador. La comunicación entre los orificios 2 y 3 permite el escape del aire que había penetrado antes hasta el primer actuador. El orificio 5 queda ahora bloqueado. Una vez se deja de presionar la palanca, el resorte obliga al vástago a volver hasta la posición inicial, con lo que se reproduce la situación del principio. De este modo, la válvula distribuye alternativamente el aire hasta uno u otro actuador y permite el escape del aire en el orden contrario. Elementos auxiliares Desempeñan funciones de regulación y control. También se les denomina genéricamente válvulas. Entre las más habituales en un circuito neumático destacan: las válvulas antiretorno, las de doble efecto o selectoras de circuito, y las reguladoras de caudal. Válvulas antiretorno Permiten la circulación del aire por las tuberías en un determinado sentido y la impiden en sentido contrario. Para ello, disponen de un resorte unido a una pieza de cierre. En posición de reposo, el paso del aire a través de la conducción está bloqueado. Cuando el aire pretende circular en el sentido permitido, la presión vence la resistencia del resorte y se abre la conducción. Se clasifican según su diámetro y el caudal máximo que permiten. Válvulas de doble efecto o selectoras de circuito Disponen de tres orificios de entrada de aire y de un pequeño pistón que puede desplazarse por el interior para bloquear alternativamente una u otra entrada. Si el aire entra por el orificio 1, la presión obliga al pistón a desplazarse de tal modo que bloquea el orificio 3. El aire sale entonces por el orificio 2. I.E.S. Cristóbal de Monroy.Dpto. De Tecnología página 9 de 11

10 Por el contrario, si el aire penetra por el orificio 3, el desplazamiento del pistón se produce en sentido contrario y el agujero bloqueado es el 1. La salida del aire tendrá lugar también por el orificio 2. Tienen forma de T y suelen instalarse en las ramificaciones del circuito para seleccionar la fuente de alimentación. Válvulas reguladoras de caudal Se trata de válvulas que disponen de un tornillo mediante el cual se aumenta o disminuye la sección del conducto, lo que permite la regulación del caudal de aire que circula. Suelen instalarse a la salida de las cámaras de los cilindros. De este modo, puede regularse la velocidad de desplazamiento del émbolo en su movimiento de avance. Las características técnicas de estas válvulas vienen indicadas por el número de vueltas del tornillo y por el caudal máximo de admisión. Mando de un cilindro de simple efecto mediante dos válvulas 2/2 En posición de reposo, los orificios de las válvulas están bloqueados y el aire no penetra en el interior del cilindro. Al presionar el vástago de la válvula A sin accionar la válvula B. el aire penetra en el cilindro y empuja el émbolo hacia la derecha. Al liberar la válvula A y presionar la B, el aire del cilindro puede salir al exterior y el muelle de retorno empuja el émbolo hacia la izquierda. Mando de un ciiindro de simple efecto mediante una válvula 3/2 Utilizaremos una válvula 3/2 tal y como se indica en la representación simbólica. En posición de reposo, el orificio 1 permanece bloqueado y el aire no penetra en el interior del cilindro. Al presionar el vástago de la válvula, el aire penetra en el cilindro y empuja el émbolo hacia la derecha. Al liberar la válvula, el aire puede escapar al exterior y el muelle de retorno empuja el émbolo hacia la izquierda. I.E.S. Cristóbal de Monroy.Dpto. De Tecnología página 10 de 11

11 Mando de un cilindro de doble efecto mediante dos válvulas 3/2 Las válvulas permiten el acceso y la salida del aire a cada una de las cámaras del cilindro, como se indica en el esquema. En posición de reposo, los orificios de entrada de las válvulas están bloqueados y el aire no penetra en el interior de ninguna de las cámaras del cilindro. Al presionar el vástago de la válvula A sin accionar la válvula B, el aire penetra en la cámara de la izquierda y empuja el émbolo hacia la derecha (avance). El aire contenido en la cámara de la derecha sale por la válvula B. Al liberar la válvula A y presionar la B, el aire penetrará en la cámara de la derecha y empujará el émbolo hacia la izquierda (retroceso). El aire contenido en la cámara de la izquierda saldrá ahora por la válvula A. I.E.S. Cristóbal de Monroy.Dpto. De Tecnología página 11 de 11