Desarrollo del Tema: 1. Propiedades de los fluidos : líquidos y gases. 2. Estructura general de un circuito hidráulico y neumático. 3. Elementos activos del circuito: compresores y bombas. 4. Acumuladores de un circuito hidráulico y neumático. 5. Los elementos de protección y transporte. 6. Elementos de control de los circuitos neumáticos e hidráulicos. 7. Elementos de consumo. 8. Ejemplos de consumo de circuitos neumáticos e hidráulicos. 1
1. Propiedades de los fluidos : líquidos y gases. Los circuitos hidráulicos utilizan un fluido líquido(densidad constante) para poder transmitir la energía por todos los elementos del mismo. En los circuitos neumáticos, la transmisión se realiza por medio de un fluido gaseoso (su densidad es variable). El fluido más utilizado en los circuitos hidráulicos es el aceite, el agua y otros. En los circuitos neumáticos, el fluido más utilizado es el aire. La diferencia más importantes entre los líquidos y los gases, son que los líquidos tienen un volumen constante y una presión no constante, que varía con la profundidad, de acuerdo a la ecuación: Δ p = ρ. g. h, siendo rho la densidad, g la aceleración de la gravedad y h la profundidad. El caso de los gases, su volumen no es constante pero su presión si lo es. En el caso de los dos estados no tienen forma propia. La unidad de volumen de un fluido transportada en la unidad de tiempo, recibe el nombre de caudal Q. Se mide en m3/h o l/min. El aire es un fluido compresible que, aunque es una mezcla de gases(sobre todo N 2 y O2), se puede comportar como una sustancia simple. La velocidad con que los fluidos circulan a través de las tuberías, no es constante, ya que depende de la sección. Según la ley de continuidad atribuida a Leonardo da Vinci la relación es la siguiente: v1. S1 = v2. S2, siendo v la velocidad y S la sección. Un fluido, almacenado en un depósito, ejercerá una presión sobre las paredes del mismo. La presión, que es una magnitud escalar, se define : F p = En el caso de los gases, la presión es la misma en S cualquier punto del depósito. En el caso de los líquidos, la presión aumenta con la profundidad. La unidad en el SI es el Pa ( Pascal) que se define como la presión ejercida por la fuerza de 1 N sobre una superficie de 1 m2. Otra unidad muy utilizada, es la atmósfera que es la presión que ejerce la masa de aire sobre la superficie de la tierra y que equivale al peso de una columna de mercurio de 76 cm de altura, por lo que 1 at = 760 mm de Hg ( también llamados torr, en honor a Torricelli). La equivalencia entre la atmósfera y los Pa es la siguiente: 1 at = 1,01325 105 Pa = 1,033 Kg/cm2 = 14,70 psi En el Sistema Anglosajón, la unidad de presión es el Psi que equivale a un pound per square inch. Para medir la presión se recurre a un manómetro, que mide las presiones relativas. Para medir la presión atmosférica, se recurre a un barómetro. pa = pr + pa ; pa, es la presión absoluta; pa, es la relativa(medida con un manómetro) y pa es la presión atmosférica calculada con un barómetro. 2
Los líquidos, son fluidos incompresibles y podrán aplicarse las ecuaciones siguientes: a. Ecuación fundamental de la hidrostática: Δ p = ρ. g. h, siendo rho la densidad, g la aceleración de la gravedad y h la profundidad. b. Principio de Pascal. Indica que toda variación en la presión en el seno de un fluido incompresible, se traslada integra y por igual a todas las regiones del mismo. Matemáticamente se expresa : F1 F2 = Como aplicaciones prácticas se encuentran los gatos S1 S2 hidráulicos, las prensas, o los frenos hidráulicos. F1 F2 S1 S2 c. Transporte de fluidos. Hidrodinámica. Para transportar fluidos incompresibles a lo largo de una red, es necesario disponer de una bomba hidráulica que proporcione la carga suficiente al fluido ( la p y la velocidad). Para estudiar los fluidos, es necesario determinar previamente que tipo de régimen lleva ese fluido. El régimen de movimiento, puede ser ideal ( no existe rozamiento o viscosidad), el régimen laminar, si el rozamiento es constante o en régimen turbulento, si el rozamiento es variable. En el caso de circulación ideal, se aplica la ecuación de Bernoulli que nos indica que la carga es constante en cualquier punto de la tubería: h1 + p1. g 2 + v1 2g = cte. Siendo h1, la altura de la tubería con relación a la superficie de la tierra, p1 la presión en el punto 1 y v1 su velocidad. 3
Para calcular la velocidad se recurre a dispositivos como el tubo de Venturi, diafragmas, boquillas o tubo de Pitot. Para determinar si un fluido posee régimen laminar o turbulento, con rozamiento y pérdida de carga por fricción se tendrá que calcular el número de Reynolds. Si éste número es menor que 2100, el régimen será laminar; si es superior, el régimen será turbulento. Régimen laminar Régimen laminar Régimen turbulento Régimen Turbulento 4
El Re = v. D. siendo v la velocidad, D el diámetro de la conducción, ρ, la densidad y η la viscosidad. Cuando la circulación de un fluido es en régimen laminar, se aplicará la ecuación de Piseulle: h1 + p1. g + p2. g v12 = h2 + 2g La pérdida por fricción, hf = f. v2 2 + hf 2g + L D v2 2, siendo L la longitud total y D el 2g diámetro interior de la conducción. 64 Re Cuando la circulación es turbulenta, régimen de Venturi, la pérdida de carga se efectuará mediante diagramas de relación. En este caso f (factor de Fanning) será variable. Al final del tema se adjunta una serie de tablas que se pueden utilizar para su cálculo. La ecuación aplicada es la anterior. Los circuitos hidráulicos estarán formados por los siguientes dispositivos: f, factor de proporcionalidad, será igual = 5
Los gases son fluidos compresibles y cumplirán las leyes correspondientes: a. Ley de Boyle- Mariotte. A T = cte, el producto de la presión de un gas por el volumen que ocupa es constante. : p. V = cte. b Ley de Gay-Lussac. A p = cte, el volumen ocupado por un gas es directamente proporcional a la temperatura a la que se encuentra éste V = k T. c Ley de Charles. A V = cte, la presión a la que se somete a un gas, es directamente proporcional a la temperatura que se encuentra éste p = k T. La T, se mide en º K o temperatura absoluta : T = t + 273, siendo t la temperatura en º C. d. Ley de Avogadro Volúmenes iguales de gases diferentes, en las mismas condiciones de presión y de temperatura, poseen la misma cantidad de moléculas. A p y T, ctes, V = k n, siendo n el número de moles. 1 mol = 6,023 1023 moléculas Combinando todas estas ecuaciones, se llega a la obtención de la ecuación fundamental de los gases perfectos: p. V = n. R. T, siendo R la constante de los gases ideales = 0,082 (at.l/ºk mol) 6
2. Estructura general de un circuito hidráulico y neumático. Existen diferencias a tener en cuenta, cuando se proyecta un circuito hidráulico o neumático. Entre ellas son las siguientes: 1. El aire de los circuitos neumáticos es gratuito, por lo que el aire, al final, se elimina al exterior, usando un silenciador. Los líquidos utilizados, se deben de volver a reutilizar por lo que al final del proceso son enviados a un depósito. 2. Ambos fluidos poseen partículas en suspensión, por lo que se deberán eliminar para que no causen daño al circuito; para ello se utilizan filtros y secadores de humedad, en el caso del aire. 3. En neumática se utiliza esfuerzos de hasta 30000 N, por lo que sus movimientos son bruscos, pudiéndose utilizar dispositivos de control y regulación del caudal para disminuir la velocidad. En el caso de los circuitos hidráulicos, los movimientos son más lentos. En un circuito hidráulico o neumático hay que tener en cuenta: 1. Los elementos activos o generadores de energía o carga. En neumática se utilizan los compresores. En hidráulica se utilizan las bombas. 2. Elementos de protección y de tratamiento de los fluidos. En neumática, se encuentran los presostatos, los filtros y los desecadores. También se utilizan lubrificadores para que los elementos mecánicos accionados se muevan sin resistencia. Los dispositivos hidráulicos, su fluido normalmente es aceite, debiéndose utilizar un sistema de filtrado y de regulación de la presión. 3.Elementos de transporte. Están formados por las tuberías, las válvulas de accionamiento, los reguladores de caudal y los depósitos( usados como temporizadores). 4. Elementos actuadores o de consumo. Lo más común son los cilindros de doble efecto o de simple efecto ( movimientos alternativos) o bien motores neumáticos o hidráulicos(movimientos rotativos). 7
3. Elementos activos del circuito: compresores y bombas. Los elementos activos, que proporcionan la carga son diferentes si se trata de circuitos neumáticos o hidráulicos. En el caso de los circuitos neumáticos, el elementos actuador es el compresor. En el compresor se tienen en cuenta dos magnitudes: la presión y el caudal. Los compresores pueden ser: a. Volumétricos, se basan en la ley de Boyle- Marriote, al disminuir el volumen aumentamos la presión. Pueden ser rotativos o alternativos. b. Dinámicos.- El gas se hace pasar por una tubería cada vez de menor calibre y si el caudal es el mismo, la presión aumenta. En ambos casos los compresores necesitan ser refrigerados, ya que al aumentar la presión, la temperatura del aire aumenta. Cuando los circuitos son hidráulicos el actuador es la bomba. La bomba ejerce dos efectos: el primero es que en la entrada de la misma existe un vacío por lo que se succionará el fluido y segundo, comunica una energía cinética al fluido por efecto centrífugo. 8
4. Acumuladores de un circuito hidráulico y neumático. Para acumular los fluidos, se utilizan los depósitos. En los circuitos neumáticos, se almacena el fluido en depósitos a presión elevada para: 1. que el caudal variable del compresor, no afecte a los elementos del circuito. 2. Poder desconectar el compresor cada cierto tiempo, ahorrar energía y evitar que esté funcionando continuamente. 3. Poder, suministrar un caudal suplementario de aire. Un depósito lleva acoplado un sensor de presión con una válvula de seguridad para evitar que explote. Para utilizar los fluidos de los circuitos hidráulicos, es necesario almacenarlos para poder ser utilizados, Este acumulador, va a permitir separar el líquido del aire y de las partículas extrañas y la disipación del calor que se pueda producir en las conducciones. 5. Los elementos de protección y transporte. Los elementos de protección son diferentes si los circuitos son neumáticos o hidráulicos. Los principales elementos de protección de un circuito neumáticos son los siguientes: 1. Los filtros.- Cumplen un papel importante eliminando el agua del aire y las impurezas sólidas que tenga en suspensión. 2. El lubrificador.- Inyecta gotas de aceite en el aire creando una especie de niebla evitando que se produzca desgaste en los elementos del circuito. 3. El limitador de presión(presosotato).- Haciendo que la presión del circuito se mantenga por debajo de cierto límite. Se encuentra formado por un sensor y una válvula de escape. 4. El silenciador. - Elemento que se coloca al final del circuito neumático para evitar los ruidos por el escape del aire al medio exterior. En un circuito hidráulico los elementos de protección son los siguientes: 1. El filtro.- Cumple la misma misión que en el caso de los circuitos neumáticos. 2. La válvula de alivio.- Tiene el mismo cometido que la válvula de escape en el caso de los circuitos neumáticos. El fluido más utilizado en los circuitos hidráulicos es el aceite. Los elementos de transporte, tanto en los circuitos hidráulicos como en los neumáticos son las 9
tuberías. Para transportar aire, debe de utilizarse las tuberías apropiadas para que no exista perdida de carga, por lo que la superficie interna ha de estar pulida. Deben de soportar una presión interna. Se suelen utilizar materiales como el cobre, el acero el poilietileno. Los latiguilllos son tuberías flexibles. La conexión de la tubería de consumo en relación con la de servicio ha de ser por la parte superior. En el caso de los líquidos, las tuberías utilizadas suelen estar fabricadas del mismo material que en el caso del gas. 10
6. Elementos de control de los circuitos neumáticos e hidráulicos. Para controlar los circuitos neumáticos e hidráulicos, se utilizan una serie de válvulas y pueden ser de diferentes tipos según controlen: a. La dirección del flujo. Las más comunes son las válvulas 3/2 o 5/2 (tres vías y dos posiciones o cinco vías por dos posiciones). b. La presión de fluido, mediante los reguladores de caudal. c. El flujo que permite regular el caudal y el sentido. Las válvulas controladoras de caudal se denominan distribuidoras A P R Representa una válvula 3/2 (tres vías y dos posiciones). La posición de la derecha, actúa la válvula sin accionamiento. La posición de la izquierda muestra la válvula accionada. Las vías son P(presión) R(retorno) A (servicio). La forma de accionar estas válvulas son muy diversas. 11
Las válvulas controladoras de la presión de fluido, sirven de seguridad. 12
Las válvulas controladoras de flujo permite modificar la velocidad de circulación del fluido, permiten mantener la velocidad a unos niveles determinados. Los reguladores pueden ser bidireccionales o unidireccionales, si permite el flujo en ambos sentidos o si lo permite solamente en uno. Cuando se desea que el fluido circule en un determinado sentido, se coloca una válvula antirretorno. Una válvula de simultaneidad se comporta como una puerta lógica 7. Elementos de consumo. Los elementos de consumo o actuadores, son aquellos que transforman la energía transportada por los fluidos en un trabajo. Los hay de dos tipos: Alternativos, como son los cilindros de simple y doble efecto. Rotativos que son los motores, que produce el movimiento de un eje al accionar el caudal e fluido sobre los álabes del rotor. 13
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8. Ejemplos de consumo de circuitos neumáticos e hidráulicos. Se van a describir algunos circuitos neumáticos. 1. Circuito formado por una válvula 3/2 y un cilindro de simple efecto: 2. Circuito formado por un cilindro de simple efecto con una válvula 3/2 y un regulador de caudal. 15
3. Circuito formado por una válvula 5/2 y un cilindro de doble efecto: 4. Circuito neumático con un cilindro de simple efecto pilotado por dos válvulas 3/2, la primera de accionamiento neumático y la segunda de accionamiento mecánico mediante un pulsador ambas con recuperación. 5. Cilindro de doble efecto y pilotaje neumático con una válvula 5/2, usando dos válvulas 3/2 para su control. 16
Los diagramas de los circuitos hidráulicos y neumáticos pueden ser: a. pictóricos, se usan para mostrar la distribución espacial del circuito, con sus componentes y tuberías con su tamaño reales. No muestran la estructura interna del circuito. B De corte.- contienen gran cantidad de información acerca del funcionamiento del circuito, aunque no se suelen mostrar dado lo costoso de su realización. c. Gráficos, son los que se utilizan en la práctica. Los elementos del circuito se representan mediante símbolos normalizados. 17
d. Combinados.- Son los circuitos representados que se mezclan los gráficos con los diagramas de corte, con el fin de conseguir mayor claridad en alguna parte determinada del circuito. 18
Anexo I.- Calculo del diámetro equivalente de una conducción de aire. Como ejemplo consideremos: L = 300 m ; se necesitan 6 racores en T, 8 racores acodados, y 2 válvulas de cierre. Las condiciones de trabajo son : Q = 1500 m3/h ; p = 6 bares ; Δ p = 0,20 bares. 19
Anexo II.- Transmisión de fluidos incompresibles. Longitudes equivalentes. 20
Anexo III.- Diámetro de las tuberías. 21
Anexo IV.- Cálculo del factor de Faning ( f) 22
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