Carpeta Oleohidraulica y Neumatica

CÁTEDRA DE MECÁNICA DE LOS FLUIDOS

INGENIERIA MECÁNICA

Universidad Nacional de Tucumán Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología DEPARTAMENTO DE MECANICA Avda. Independencia Independencia 1800 –Tel. 0381 436-4093/436-4111- Int.7577 Int.7577 Fax 0381 436-3004 Dir 410-7577 4000 San Miguel de Tucumán – Argentina

Programa de Oleohidráulica Carrera Ingeniería Mecánica Plan 2004

1. Introducción.

Conceptos, principios y leyes físicas fundamentales aplicadas a la Técnica Óleo-hidráulica. 2. El fluido hidráulico.

Propiedades características. La viscosidad. Cualidades especiales. Aditivos. Contaminantes. 3. Circuito básico.

Símbolos y métodos de representación de componentes. Circuitos de potencia y mando. Identificación de elementos actuadores, de mando, regulación, control y accesorios. Aspectos característicos de los circuitos óleo-hidráulicos. 4. Cilindros hidráulicos.

De simple y doble efecto, buzos, telescópicos, de doble vástago, conversores de fuerza o de movimiento. Cilindros compensados, de aproximación, de avance rápido. Amortiguación. 5. Bombas.

Clasificación según diseño, función y nivel de presión. De caudal fijo o variable. Curvas características. Bombas múltiples. 6. Motores hidráulicos.

Clasificación según diseño. De caudal fijo o variable. Curvas características. Variación de velocidad e inversión de marcha. 7. Accionamientos.

Componentes característicos. Válvulas, filtros, depósitos, acumuladores. Particularidades emergentes del calentamiento y contaminación del fluido hidráulico. Conducciones de aspiración, presión y retorno. Juntas retenes y obturaciones. 8. Análisis de circuitos.

Operatividad, productividad, eficiencia y seguridad de servicio. Alistamiento, inicio, paradas imprevistas, reinicio.

Ing. Jorge F. Koehle Profesor Asociado


Programa de Neumática Carrera Ingeniería Mecánica Plan 2004

1. Introducción.

Conceptos, principios y leyes físicas fundamentales para la Técnica Neumática. 2. El aire.

Aire atmosférico. Aire comprimido y sus contaminantes. Producción, acumulación, distribución y acondicionamiento del aire comprimido. 3. Circuito básico.

Símbolos y métodos de representación de componentes y circuitos. Elementos de mando, actuación, regulación y control. 4. Actuadores neumáticos. neumáticos.

Cilindros de simple y doble efecto. Amortiguación. Cilindros de varias posiciones, tandem, de impacto, especiales. 5. Válvulas direccionales.

Clasificación según diseño, función, accionamiento. Válvulas de corredera y de asiento. Mandos manual, mecánico, neumático, eléctrico. 6. Válvulas de control y auxiliares.

Limitadoras, reguladoras, unidireccionales, temporizadoras. Grupos de válvulas.

de

escape

rápido,

7. Accionamientos neumáticos. neumáticos.

Simples, múltiples, simultáneos, secuenciales, condicionales, repetitivos. Introducción a los ciclos semiautomáticos y automáticos. Memorias neumáticas. 8. Diseño de circuitos.

Análisis de operatividad, productividad, eficiencia y seguridad de funcionamiento. Alistamiento, emergencia, reinicio.



BIBLIOGRAFÍA

Oleohidráulica y Neumática -

Apuntes de clase, manuales técnicos. técnicos. Koehle, Jorge Francisco.

-

Manuales técnicos. Mannesmann Mannesmann Rexroth.

-

Manuales técnicos. Parker Pneumatic

-

Manuales técnicos. Festo Neumatic.

-

Manuales técnicos. Vickers Hydraulic.


Indice

Indice 1 Introducción........................................................................................................................................................................01

1.1 Historia............................................................................... Historia........................................................................................................................................................................01 .........................................................................................01

2 Principios Básicos..............................................................................................................................................................02

2.1 Principio de Pascal.............................................................................................. Pascal.....................................................................................................................................................02 .......................................................02 2.2 Presión.......................................................................................................................................................................03 2.2.1 Ejemplos de Determinación Determinación de Presión...........................................................................................................04 Presión...........................................................................................................04 2.3 Caudal........................................................................................................................................................................05 2.4 Volumen Desplazado.................................................................................. Desplazado..................................................................................................................................................05 ................................................................05 2.5 Aplicaciones...............................................................................................................................................................06 2.6 Componentes de un Sistema.....................................................................................................................................06 Sistema.....................................................................................................................................06 3 Bombas: Características....................................................................................................................................................07 3.1 Caudal........................................................................................................................................................................07 3.2 Presión de Trabajo......................................................................................................... Trabajo.....................................................................................................................................................07 ............................................07 3.3 Vida.............................................................................................................................................................................07 4 Bombas: Tipos....................................................................................................................................................................08 4.1 Bombas Manuales......................................................................................................................................................08 4.2 Bombas de Engranajes Externos...............................................................................................................................09 Externos...............................................................................................................................09 4.3 Bombas de Lóbulos................................................................................................................. Lóbulos....................................................................................................................................................09 ...................................09 4.4 Bombas de Tornillos.................................................................................................................. Tornillos...................................................................................................................................................10 .................................10 4.5 Bombas de Semiluna................................................................................................... Semiluna.................................................................................................................................................10 ..............................................10 4.6 Bombas Gerotor.................................................................................................................................. Gerotor.........................................................................................................................................................1 .......................11 1 4.7 Bombas de Paletas...................................................................................................................................... Paletas....................................................................................................................................................1 ..............11 1 4.8 Bombas de Pistones Axiales en Línea.......................................................................................................................12 Línea.......................................................................................................................12 4.9 Bombas de Pistones Radiales....................................................................................................................................12 Radiales....................................................................................................................................12 4.10 Bombas de Pistones Oscilantes.............................................................................................................. Oscilantes...............................................................................................................................13 .................13 .......................................................................................................................................................14 ..................................................14 5 Bombas a Engranajes Engranajes ..................................................................................................... 5.1 Descripción.................................................................................................................................................................14 5.2 Funcionamiento..........................................................................................................................................................14 5.3 Cálculo de Caudal.................................................................................................... Caudal......................................................................................................................................................15 ..................................................15 5.4 Cálculo de Potencia.................................................................................... Potencia....................................................................................................................................................15 ................................................................15 5.5 Cálculo de Torque Torque o Par Motor...................................................................................................................................16 Motor...................................................................................................................................16 5.6 Sentido de Giro............................................................................................. Giro...........................................................................................................................................................16 ..............................................................16 6 Motores................................................................................................................................................................................17 7 Válvulas: Tipos....................................................................................................................................................................18 7.1 Generalidades............................................................................................................................................................18 7.2 Válvulas de Seguridad................................................................................ Seguridad................................................................................................................................................18 ................................................................18 7.2.1 Válvulas Limitadoras de Presión............................................................................... Presión......................................................................................................................18 .......................................18 7.3 Válvulas Direccionales...............................................................................................................................................20 7.3.1 Válvulas Unidireccionales................................................................................................................................20 7.3.1.1 Anti-Retorno...........................................................................................................................................20 7.3.2 Válvulas Direccionales de Dos Vías.................................................................................................................21 Vías.................................................................................................................21 7.3.3 Válvulas de Varias Varias Vías....................................................................................................................................22 Vías....................................................................................................................................22 7.3.3.1 Ejemplo Funcionamiento........................................................................................................................23 7.4 Válvula para el Control Control de Caudal..............................................................................................................................23 Caudal..............................................................................................................................23 7.4.1 Válvulas Reguladoras de Caudal Caudal No Compensadas.......................................................................................23 Compensadas.......................................................................................23 7.4.2 Válvulas Reguladoras de Caudal Caudal Compensadas.............................................................................................24 Compensadas.............................................................................................24 8 Anexo 1 - Relación entre la Válvula Limitadora de Presión y la Colocación de una Bomba Nueva..........................25 9 Anexo 2 - Empleo Empleo de Abacos............................................................................................................................................26 10 Anexo 3 - Cambios de Giro Giro en Bombas a Engranajes Engranajes..................................................................................................31 10.1 Cambio de Giro Bomba B1........................................................................................... B1.......................................................................................................................................31 ............................................31 10.2 Cambio de Giro Bomba BO.............................................................................................. BO......................................................................................................................................32 ........................................32 10.3 Cambio de Giro Bomba MC1................................................................................. MC1...................................................................................................................................33 ..................................................33 10.4 Cambio de Giro Bomba AP.................................................................................................................... AP.......................................................................................................................................34 ...................34 10.5 Cambio de Giro Bomba MD1................................................................................. MD1...................................................................................................................................35 ..................................................35 11 Anexo 4 - Fallas.................................................................................................................................................................36 11.1 Fallas Producidas en Bombas a Engranajes............................................................................................................36 Engranajes............................................................................................................36 11.1.1 Fallas Ocasionadas por los Fluidos Inadecuados........................................................................................ Inadecuados..........................................................................................36 ..36 11.1.2 Fallas Ocasionadas por los Aire en el Circuito...............................................................................................37 Circuito...............................................................................................37 11.1.3 Fallas Ocasionadas por Sobre Carga............................................................................ Carga.............................................................................................................37 .................................37 11.1.4 Fallas Ocasionadas por Malas Instalaciones.................................................................................................37 Instalaciones.................................................................................................37 11.2 Fallas Producidas en Circuitos Hidráulicos y Posibles Soluciones...........................................................................38 Soluciones...........................................................................38 11.3 Fallas Producidas en las Placa de Fricción de una Bomba MD...............................................................................42 MD...............................................................................42 11.4 Fallas Producidas en Bujes B1, BO y MC1..............................................................................................................42 MC1..............................................................................................................42 11.5 Fallas Producidas en el Cuerpo de una Bomba (desgaste por entalladuras)..........................................................43 entalladuras)..........................................................43

1 Introducción

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1 Introducción La Hidráulica es una rama de la ingeniería que abar ca el estudio de la presión y el caudal de los fluidos así como sus aplicaciones; se puede dividir en Hidráulica de agua o de aceite (Oleohidráulica) y Neumática cuando éste fluido es un gas. 1.1 Historia

Arquímedes, hacia el año 250 A.C., investigó alguno de los principios de la hidráulica, cuyas técnicas ya se empleaban con anterioridad, principalmente en sistemas de distribución de agua por ciudades. Desde entonces se fueron desarrollando diversos aparatos y técnicas para el movimiento, trasvase y aprovechamiento del agua. Finalmente en el año 1653 el científico francés Pascal descubrió el principio según el cual la presión aplicada a un líquido contenido en un recipiente se transmite por igual en todas direcciones. En el siglo XVIII Joseph Bramah construyó el primer mecanismo hidráulico basado en la ley de Pascal: se trataba de una prensa hidráulica con un gran cilindro que movía un vástago en cuyo extremo se aplicaba al material a prensar; la presión necesaria se obtenía por medio de una bomba manual y el líquido empleado fue agua. Ya en el siglo XX se descubrió que el empleo de aceites en lugar de agua facilitaba la lubricación de las piezas móviles de los componentes del sistema, al tiempo que se disminuía la oxidación de los mismos y las fugas de fluido, de ahí el nombre de Oleo-hidráulica o Hidráulica de aceite. Actualmente la Oleohidráulica y la Neumática son las dos técnicas más empleadas para la transmisión de energía, y en muchas de sus aplicaciones se combinan con controles electrónicos para proporcionar movimientos pr ecisos y controlados.

2 Principios Básicos

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2 Principios Básicos El principio básico de la oleohidráulica es la ley de Pascal, cuyo enunciado, dice: “La presión aplicada a un líquido confinado se transmite uniformemente en todas direcciones, y ejerce fuerzas iguales sobre áreas iguales”. 2.1 Principio de Pascal

La figura 1 muestra gráficamente el principio de Pascal. Como complemento a este principio se ha de decir que los líquidos son prácticamente incompresibles: a diferencia de los gases que pueden comprimirse, los líquidos, como los sólidos, no experimentan una reducción significativa de su volumen al verse sometidos a presión. Cilindro lleno de un líquido incompresible Fuerza ejercida sobre el vástago: 10 Kg F Area del pistón: 50 cm² Resulta una presión interna de 0,2 Kg En cada cm² de pared Si el fondo tuviese 20 cm² , como cada 5 cm² reciben un empuje de 10 Kg, todo el fondo recibiría 40 Kg de empuje Fig. 01 Principio de Pascal

Aplicando el principio de Pascal y observando la figura 2, se puede comprobar cómo una pequeña fuerza F es ejercida sobre un émbolo pequeño, de área A1, produce sobre el émbolo una presión de:

F

W A2

A1

Fig. 02 Equilibrio Hidráulico

P = F / A1 Esta presión se transmite a lo largo del tubo y por medio de un fluido hasta un émbolo de sección mayor, cuya área es A2. Puesto que el sistema se encuentra en equilibrio, las p resiones en ambos émbolos son las mismas, de donde se deduce que: P = F / A1 = W / A2 de donde: W = (A2 / A1) x F y se llega a la conclusión de que con una fuerza F pequeña se pued e levantar un peso W considerablemente mayor,


03

2.2 Presión

La presión es la fuerza por unidad de superficie a que está sometido un fluido. Así, pues, se representa la presión: P (kg/cm²) =

F (kg) S (cm²)

En la figura 3 se representa un ejemplo de aplicación. Para disminuir una presión P se ha de aumentar la superficie S y para aumentarla, basta con reducir la superficie S. F Se dice que una presión es uniforme cuando la relación es idéntica en los distintos puntos de la superficie S comprimida.

F = 100 kg

P=F S

5 kg / cm²

Superficie de la base:

S = 3,14 x D 4

Diámetro 50 mm

2

Fig. 03 Determinación del Valor de una Presión

La presión no sólo se ejerce de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba, sino también lateralmente. En una palabra, la presión se ejerce en todos los sentidos. La presión estática es la que ejerce un fluido en reposo sobre las paredes del recipiente que la contiene, mientras que la presión dinámica es la presión debida a la velocidad, cuya existencia se pone en evidencia al oponer un obstáculo a su movimiento. En el sistema internacional (S.I.), la unidad de presión es el Pascal (Pa.); equivale a la presión uniforme que actúa sobre una superficie plana de un metro cuadrado, ejercida perpendicularmente, por una fuerza total de un Newton (N). Recordemos que el Newton, unidad de fuerza del sistema internacional, es la fuerza que comunica a un cuerpo, cuya masa sea de un kilogramo, una aceleración de un metro por segundo. Dado el pequeño 5valor absoluto del Pascal hemos visto que a ctualmente se utiliza como valor de presión el BAR, que equivale a 10 Pascal. La correspondencia de las unidades de presión es la siguiente: 1 PASCAL = 10 -5 BAR ó 1,02 x 10 -5 kg/cm² 1 BAR = 105 PASCAL ó 1,02 kg/cm² 1 kg/cm² = 98.000 PASCAL ó 0,98 BAR 1 Lb. Pulg.² = 0,0689 BAR


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2.2.1 Ejemplos de Determinación de Presión

Estos ejemplos ponen en evidencia la fórmula P =

F S

Sobre la cabeza de un alfiler, cuya punta descansa sobre una superficie suficientemente dura, apliquemos un empuje de 1 kg (Figura 4). Suponiendo que el diámetro de la punta del alfiler sea de 0,2 mm, aver igüemos el valor de la presión ejercida por el alfiler sobre la superficie receptora, expresada en BAR.

F

Fig. 04 Una fuerza muy débil puede crear una presión muy grande

Superficie de la base de la punta del alfiler en cm²:

π x d² = 3,14 x 0,02 x 0,02 = 0,0003 cm² 4 4 Presión ejercida por la parte afilada del alfiler sobre el material con el cual está en contacto: 1 0,0003 = 3333,33 kg/cm² Para determinar la presión que ejerce sobre el suelo una máquina provista de orugas (Figura 5) cuando está trabajando, se sigue utilizando la misma fórmula. En dond e el peso de la máquina es de 10.000 kg, D = 100 cm, L = 400 cm y H = 70 cm (ancho de la oruga).

D H

L

Fig. 05 Presión ejercida sobre el suelo por un tren de orugas de una máquina

Presión (kg/cm²) =

Peso de la máquina (kg) 10.000 = = 0.164 kg/cm² 2H (L + 0,35 D) 2 x 70 (400 + 35)

En resumen: En la hidráulica la presión es la fuerza que actúa por unidad de superficie. Una fuerza considerable actuando sobre una gran superficie = poca presión. Una fuerza mínima actuando sobre una superficie pequeña = presión elevada.


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2.3 Caudal

Caudal, es la relación entre el volumen de líquido desplazado y el tiempo empleado en hacerlo. Dicho de otra manera es la intensidad con que un líquido fluye. Caudal =

Volumen del líquido Superficie x Espacio = Tiempo Tiempo

Su unidad de medida es el metro cúbico / seg pero debido a que resulta una un idad muy grande para el empleo en la tecnología hidráulica de maquinarias se emplea: 1 Litro = 1,66 x 10-5 m³/seg. min 1 Litro = 4,403 x 10-3 galones/seg. = 0,2642 galones/min min 1 galón/min = 3,785 litros/min En hidráulica el caudal caracteriza a la rapidez del movimiento. 2.4 Volumen Desplazado

Se puede expresar diciendo que el volumen de líquido desplazado es igual a l caudal multiplicado por el tiempo en que se mantuvo este.

S x L = V = Q x T

Volumen = Caudal x Tiempo Volumen (m³) =

1 m³ = 1000 L = 264,2 galones (U.S.)

s

1 Litro = 0,001 m³ = 0,2642 galones (U.S.)

L

Caudal (l/min) x Tiempo (min) 1000

1 galón (U.S.) = 3,785 litros V

1 pulg.³ = 16,39 cm³

2.5 Aplicaciones

La hidráulica estudia la transmisión de la energía empujando un líquido. Es sólo un medio de transmisión, no una fuente de potencia que sería el accionador primario (motor eléctrico, motor de explosión, tracción animal, etc.). La energía generada por esta fuente primaria se transmite al fluido que la transporta hasta el punto requerido, volviendo a convertirla en energía mecánica por medio de un accionador. El elemento del circuito que absorbe la energía mecánica, de la fuente de potencia, y la transforma en hidráulica es la bomba del circuito. Los accionadores que posteriormente transforman la energía hidráulica en mecánica pueden ser motores o cilindros, según se desee obtener un movimiento rotativo o lineal respectivamente, y entre los elementos de bombeo y los accionadores se intercalarán los elementos de regulación y control necesarios para el correcto


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En resumen: un motor proporciona una determinada energía mecánica a una bom ba, y ésta, según la energía que recibe, suministra una determinada energía hidráulica, la cual se transfiere bajo forma de caudal y presión y mediante un fluido hidráulico, a un pistón donde se vuelve a transformar en la energía mecánica necesaria para realizar un trabajo. La figura 6 representa esquemáticamente un sistema de transmisión de energía. Motor

Bomba

Energía Mecánica

Tubería

Bomba Hidráulica

Cilindro

Fluido Hidráulico

Energía Hidráulica

Fig. 06 Sistema de Transmisión de Energía

2.6 Componentes de un Sistema

Los componentes de un sistema son todos aquellos elementos que incorpora el sistema para su correcto funcionamiento, mantenimiento y control, y pueden agruparse en cuatro grupos: - Bombas o elementos que transforman la energía mecánica en hidráulica. - Elementos de regulación y control , encargados de regular y controlar los parámetros del sistema (presión, caudal, temperatura, dirección, etc.). - Accionadores, que son los elementos que vuelven a transformar la energía hidráulica en mecánica. - Acondicionadores y accesorios, que son el resto de elementos que configuran el sistema (filtros, intercambiadores de calor, depósitos, acumuladores de presión, manómetros, etc.). Válvula de Comando

Válvula de Comando

Bomba

Bomba Válvula Reguladora de Presión

Filtro Depósito de Aceite

Cilindro

Aspiración Presión Retorno Flujo Controlado

Válvula Reguladora de Presión

Cilindro

Filtro Depósito de Aceite

Fig. 07 Circuito hidráulico básico

La figura 7 muestra un circuito hidráulico básico. Una Bomba Hidráulica provoca la circulación de un líquido apropiado, alimentándose desde un depósito que asegura un abastecimiento continuo. Una válvula de comandos canaliza el líquido según las condiciones impuestas al sistema. Finalmente el r eceptor (cilindro ó motor hidráulico), recibirá ese líquido en circulación y lo transformará en trabajo efectivo cuando así se lo desee. En la práctica, este conjunto se completa mediante tuberías filtros, conexiones y en casos más complejos incorporando otros tipos de válvulas según los fines perseguidos.

3 Bombas: Características

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3 Bombas: Características 3.1 Caudal

En todas las bombas, el caudal de salida teórico es el pro ducto de la cilindrada o capacidad por ciclo, multiplicada por el número de ciclos o revoluciones por unidad de tiempo; así pues, el caudal de salida en estas bombas será función del número de revoluciones o ciclos por unidad de tiempo con que esté trabajando: Caudal = cilindrada x velocidad El caudal así obtenido es el llamado caudal teórico, que es siempre superior al caudal real en función del rendimiento volumétrico de la bomba, es decir, de las fugas internas de la misma. El caudal real es el que suministra la bomba, y es igual al caudal teórico menos las fugas internas o el retroceso del fluido de la impulsión a las aspiración. Se define el rendimiento volumétrico como la relación entre el caudal real y el teórico:

ηv = Q

real / Q teórico

Este rendimiento volumétrico oscila entre el 0,80 y el 0,99 seg ún el tipo de bomba, su construcción y sus tolerancias internas, y según las condiciones específicas de trabajo: velocidad, presión, viscosidad del fluido, tempera tura, etc. Cuando dicho rendimiento sea inferior al facilitado por el fabricante de la bomba, ésta deberá repararse o substituirse, ya que el consumo de energía necesario para mantener sus condiciones de trabajo se incrementará, lo que implicará un incremento en el costo de la energía. Además del rendimiento volumétrico, se debe considerar el rendimiento mecánico de las bombas, ya que parte de la potencia con que se alimenta se desperdicia para poder vencer los rozamientos internos. El rendimiento total de una bomba es el producto de sus rendimientos volumétrico y mecánico:

η total = η volumétrico x η mecánico El rendimiento total de una bomba nueva puede oscilar entre el 0,80 y el 0,90, valores que disminuirán con el uso y el desgaste de los elementos de estanqueidad interna de la propia bomba. 3.2 Presión de trabajo

Todos los fabricantes otorgan a sus bombas un valor denominado presión máxima de trabajo, algunos incluyen las presiones de rotura o la presión máxima intermitente, y otros adjuntan la gráfica presión / vida de sus bombas. Estos valores los determina el fabricante en función de una duración razonable de la bomba trabajando en condiciones determinadas. Se ha de observar que no existe un factor de seguridad normalizado; por ello algunos fabricantes incluyen la presión de rotura del elemento, o el número de ciclos de cero a X kg/cm² que resiste la bomba. 3.3 Vida

La vida de una bomba viene determinada por el tiempo de trabajo desde el momento en que se instala hasta el momento en que su rendimiento volumétrico haya disminuido hasta un valor inacepta ble, sin embargo este punto varía mucho en función de la aplicación. Así por ejemplo hay instalaciones donde el rendimiento no puede ser inferior al 90% mientras que en otras se aprovecha la bomba incluso cuando su rendimiento es inferior al 50%. La vida de una bomba (y del resto de los componentes d e un sistema oleohidráulico) varía considerablemente en función del nivel de contaminación del fluido con el que está trabajando. Así, una bomba trabajando con un fluido filtrado a 3 micras vivirá mucho más tiempo que otra que esté trabajando con un fluido filtrado a 25 ó 40 micras.

4 Bombas: Tipos

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4 Bombas: Tipos Las bombas se pueden clasificar en dos grandes grupos en función del tipo de fuerza que se les ha de aplicar para su funcionamiento. Así las que trabajan absorbiendo una fuerza lineal las denominaremos bombas manuales, mientras que las que necesitan un esfuerzo rotativo aplicado a su eje las denominaremos bombas rotativas. 4.1 Bombas Manuales

Constan de un vástago conectado a un pistón, con sus elementos de estanq ueidad, que se desplaza en el interior de un orificio cilíndrico (Figura 8) cerrado por el extremo opuesto por donde tiene los orificios de entrada y salida.

Movimiento del Vástago (1)

Entrada (1)

Movimiento del Vástago (1)

Salida (2)

Fig. 08 Bomba Manual Simple Efecto

Existen diversos tipos de bombas manuales, y aunque tod as trabajen según el principio anteriormente definido, las hay simples, donde el bombeo se realiza por una sola cámara del cilindro; dobles, donde mientras una cámara del cilindro está aspirando, la otra está bombeando (Figura 9).

Fig. 09 Bomba Manual Doble Efecto

4 Bombas: Tipos

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4.2 Bombas de Engranajes Externos

Una bomba de engranajes externos produce caudal al tr ansportar el fluido en las cámaras formadas por el espacio entre los dientes de los engranajes, el cuerpo de la bomba y las placas laterales. Salida

Motriz

Libre

Entrada Fig. 10 Bomba de Engranajes Externos

4.3 Bombas de Lóbulos

Las bombas de lóbulos son bombas rotativas de engranajes externos, que difieren principalmente de éstas en la forma en que son accionados los engranajes (en este caso lóbulos). Mientras en la bomba de engranajes externos un engranaje hace girar al otro, en las bombas de lóbu los ambos son accionados independientemente por medio de un sistema de engranajes, externo a la cámara de bombeo. La figura11 muestra esquemáticamente una bomba de lóbulos. Salida

Entrada

4 Bombas: Tipos

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4.4 Bombas de Tornillos

En este tipo de bombas, un rotor en forma de espiral gira excéntricamente en el interior de un estator. El caudal a través de una bomba de tornillos es axial, y va en el sentido del rotor motriz. El fluido en este tipo de bombas no gira, sino que se mueve linealmente. Entrada

Salida

Fig. 12 Bomba de Tornillo

4.5 Bombas de Semiluna

En este tipo de bombas hay, entre los dos engranajes, una pieza de separación en forma de media luna (semiluna). Esta pieza está situada entre los orificios de entrada y salida. El fluido hidráulico se introduce en la bomba y es transportado hacia la salida por el espacio existente entre la semiluna y los dientes de ambos engranajes. Salida

Engranaje Externo

Entrada

Semiluna

Fig. 13 Bomba de Semiluna

4 Bombas: Tipos

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4.6 Bombas Gerotor

Este tipo de bombas consiste en un par de engranajes donde el rotor interno (motriz) arrastra al rotor externo, que a su vez tiene un diente más, y giran ambos en la misma dirección (Figura 14). El fluido entra en la cámara cuando los dientes empiezan a separarse (creándose una aspiración), y es expulsado cuando éstos vuelven a entrelazarse.

Salida

Entrada

Fig. 14 Bomba Gerotor

4.7 Bombas de Paletas

En estas bombas un determinado número de paletas se deslizan en el interior de unas ranuras de un rotor qu e a su vez gira en un alojamiento o anillo (Figura 15). Las cámaras de bombeo se forman entre las paletas, el rotor, y el alojamiento, y este conjunto queda cerrado lateralmente por las placas laterales. Rotor Excentricidad

Salida

Entrada

Carcaza Paletas Fig. 15 Bomba de paletas

4 Bombas: Tipos

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4.8 Bombas de Pistones Axiales en Línea

En este tipo de bomba de pistones axiales, el barrilete de cilindros gira, accionado por el eje motriz. Los pistones, alojados en los orificios del barrilete, se conectan al plato inclinado . A medida que el barrilete gira, los pistones se muevan linealmente con respecto al eje, en un movimiento alternativo. Los orificios, en la placa de distribución, están dispuestos de tal forma que los pistones pasan por el orificio de entrada o aspiración cuando empiezan a salir de sus alojamientos, y por la salida cuando están nuevamente entrando en sus alojamientos. Salida

Pistón

Eje

Plato Inclinado Entrada Barrilete Fig. 16 Bomba de pistones axiales

4.9 Bombas de Pistones Radiales

En estas bombas los pistones están colocados radialmente en un bloque de cilindros; estos pistones se mueven perpendicularmente con relación al eje. El bloque de cilindros gira sobre un pivote en el interior de un rotor. A medida que el bloque gira, la fuerza centrífuga, hace que el pistón siga la superficie interna del rotor, que está desplazada con relación al eje del bloque de cilindros. Los orificios localizados en el anillo de distribución permiten que los cilindros, aspiren el fluido cuando se expanden, y lo expulsen cuando se mueven hacia dentro. Eje

Eje de Bloques de Cilindros Salida

Anillos

Entrada Bloque de Cilindros

Pistón

4 Bombas: Tipos

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4.10 Bombas de Pistones Oscilantes

En este tipo de bombas los cilindros están fijos en la bomba, no giran alrededor del eje motriz. Al igual que en un motor de explosión, los pistones se mueven en un sentido por el esfuerzo transmitido por un cigüeñal. Estas bombas suelen usar válvulas anti-retorno de entrada y salida en cada uno de sus pistones.

Entrada

Los orificios de entrada y salida de cada cilindro están dotados de válvulas anti-retorno.

Salida

Cigüeñal

Fig. 18 Bomba de pistones oscilantes

5 Bombas a Engranajes

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5 Bombas a Engranajes Las Bombas de engranajes externos, son las más difundidas y su empleo es prefer ido por su gran simplicidad (solo dos piezas móviles) y facilidad para el mantenimiento y reparación. 5.1 Descripción

Una bomba de engranajes (Figura 19) está constituida por un a carcasa de fundición de hierro o de aluminio. Esta carcasa está provista de dos orificios: uno de alimentación y otro de salida. Para reducir las pérdidas de carga, la sección del orificio de alimentación suele ser mayor que el de salida. En el interior de la carcasa van situados dos engranajes que normalmente llevan dentado recto rectificado. Uno de los engranajes es el conductor y el otro, el conducido. Las dos caras laterales de la carcasa quedan obturadas mediante sendas tapas. Una de ellas, la del lado de salida del eje, es la que denominamos toma o flange, lleva un dispositivo de estanqueidad que, al mismo tiempo que evita las fugas de aceite, impide la entrada de aire entre el eje y la toma Carcaza

Cavidades

Eje Motriz

Entrada

Salida

Cavidades

Eje Libre

Fig. 19 Bomba a Engranajes

5.2 Funcionamiento

En toda bomba de engranajes de dentado exterior, durante la rotación de los órganos, el aceite circula del siguiente modo: El aceite ingresa a la bomba a traves del orificio de alimentacion. Durante la rotación de los engranajes en la carcasa, el aceite no sólo se ar rastra, sino que queda aprisionado entre los alojamientos de la carcasa y las cavidades formados por el dentado de cada piñon. El aceite no se libera hasta que las cavidades de los dentados desembocan en la cámara de salida. Entonces el aceite es expulsado en la tubería de presión hacia el distribuidor del sistema hidráulico.


15

5.3 Cálculo de Caudal

Q = (l/min a 2000 RPM)

Q = (cm³/rev.) -6

-3

Q = (D² - d²) x π x L x 2000 x 10 4

Q = (D² - d²) x π x L x 10 4

L

D

d

π = 3,1416 D (mm) = diámetro exterior d (mm) = diámetro de fondo L (mm) = ancho del dentado -6

10 = 0,000001 -3

10 = 0,001 5.4 Cálculo de Potencia

Es la relación que existe entre el trabajo realizado por una fuerza y el tiempo empleado en realizarlo. Potencia =

1 Kilowatt = 1,34 HP = 1,36 CV 1 CV = 0,7355 Kw. 1 HP = 0,7457 Kw

Trabajo Tiempo

En hidráulica la fuerza la aplicamos por medio de una superficie y originamos una presión, por lo tanto la potencia hidráulica es el producto de la presión por la superficie por el espacio (equivalente al trabajo hidráulico) dividido por el tiempo. Potencia =

(Presión x Superficie) x Espacio Tiempo

Sabemos que CAUDAL =

Superficie x Espacio Tiempo

=

Volumen Tiempo

Resumiendo, tenemos que Potencia = Caudal x Presión , teniendo en cuenta las unidades y su conversión tendremos que: P (CV) =

Q l/min x P kg/cm² 450

=

Q l/min x P bar 441,6

P (kw) =

Q l/min x P bar 600


16

5.5 Cálculo de Torque o Par Motor

En mecánica un par (torque) viene definido por un sistema de dos fuerzas iguales, de la misma magnitud, pa ralelas y de sentido contrario, que actúan sobre un cuerpo rígido. Un par se caracteriza por sus dos fuerzas y por su sentido. El momento de un par es igual al producto del módulo de sus dos fuerzas por la distancia a su línea de acción. Esta distancia se denomina brazo de palanca. La unidad para el par es el metro - newton (m.N). En la práctica se utiliza el metro - Decanewton (m. daN). La unidad antigua de par era el metro - kilogramo (m.kg) 1 kilogramo - fuerza (kgf) = 9,8 newton (N) 1 newton (N) = 0,102 kilogramos - fuerzas (kg-f) 1 decanewton (daN) = 1,02 kilogramos - fuerzas (kg-f) En Mecánica el par se calcula mediante las fórmulas:

C m.kg =

P cv x 716 N r/min

ó C m.N =

P w w

C m.kg = el par en metros - kilogramo C m.N = el par en metros - Newton P cv = potencia en caballos. P w = potencia en vatios N r/min = velocidad de régimen en R.P.M. w = velocidad angular en radianes / segundo

En hidráulica, y sobre todo en los sistemas hidrostáticos motores, la noción del par debe entenderse de un modo diferente; en donde el par es proporcional a: La presión de trabajo. La cilindrada del motor hidráulico. C m.kg = 1,59 x

El par se calcula entonces con las siguientes fórmulas:

∆ P kg/cm² x Q l/vuelta

ó C m.da.N = 1,59 x

∆ P BAR x Q l/vuelta

5.6 Sentido de Giro Giro Derecho

Giro Izquierdo

Fig. 20 Identificación del sentido de giro de una bomba a engranajes

6 Motores

17

6 Motores Los motores hidráulicos son los elementos destinados a transformar la energía hidráulica en energía mecánica rotativa. Los motores funcionan en forma inversa a la de las bombas. En éstos la presión y el caudal obligan al elemento impulsor a realizar un movimiento que se transforma en rotativo. Existen tantos tipos de motores hidráulicos como de bombas, y en algunos casos pueden emplearse las bombas como motores (cuando éstos giran en un sólo sentido o cuando las bombas están especialmente diseñadas para ello). En el caso de querer usar una bomba hidráulica como motor, y si éste debe girar en dos sentidos, se ha de incorporar un drenaje directo a tanque para eliminar la presión que se produce en el interior de la carcasa al convertirse la vía de retorno y de lubricación del retén (sin presión) en vía de admisión (presurizada). Además, se ha de verificar que, por su diseño, esta bomba resista presión en la que sería la línea de aspiración. En todos los motores hidráulicos se recomienda que el drenaje se conecte directamente al depósito, sin pasar por otras líneas de retorno o por filtros que pudieran crear contrapresiones en el drenaje; y el consiguiente exceso de presión en el retén del eje. El par desarrollado por estos motores viene determinado por la misma formula que para bombas:

C m.kg =

P cv x 716 N r/min

ó C m.N =

P w w

7 Válvulas: Tipos

18

7 Válvulas: Tipos 7.1 Generalidades

Una vez, gracias a la bomba, se ha conseguido introducir el fluido en la tubería del sistema o circuito hidráulico, se precisan una serie de componentes para regular y controlar los parámetros de presión y caudal de este flujo de fluido dentro del sistema, así como de dirigir el flujo en uno u otro sentido según las necesidades. Para ello se dispone de un amplio abanico de válvulas capaces d e realizar todas las funciones requeridas para el correcto control de los parámetros. Estas válvulas regulan la presión en puntos determinados, la dirección del fluido, y el caudal. Por ello se dividen en los tres grandes grupos que son: - Válvulas reguladoras de presión - Válvulas direccionales - Válvulas reguladoras de caudal Las primeras suelen funcionar por medio de un pistón que es sensible a la presión; las direccionales, en su mayoría, se basan en el desplazamiento de un vástago dentro de un alojamiento, haciendo que, según la posición, el flujo se dirija a uno u otro orificio de salida; las reguladores de caudal se basan en la reducción de la sección de paso de fluido y pueden hacerlo por medio de pistones, extranguladores o de correderas. Como su nombre indica, las válvulas reguladoras de presión tienen como misión el control de la presión en los distintos puntos del circuito o sistema hidráulico. En su forma más simple se trata de válvulas de dos vías (entrada y salida) que pueden estar normalmente abiertas (paso d e fluido a través de ellas), o normalmente cerradas (no hay paso de fluido a través de ellas). La mayoría de las válvulas de control de presión pueden asumir infinidad de posiciones, entre sus estados de totalmente abierto y totalmente cerrado, dependiendo de los caudales y las presiones diferenciales. 7.2 Válvulas de Seguridad

Válvula de regulación de presión del tipo "normalmente cerrada", es decir que no permite el paso de fluido en condiciones normales. Como su propio nombre indica se trata de válvulas que limitan la presión máxima en el sistema, ofreciendo así la seguridad de que no se exceden los valores límites de presión máxima de los componentes, o simplemente se usan para mantener la presión máxima dentro de los parámetros para los que se ha diseñado el circuito. 7.2.1 Válvulas Limitadoras de Presión

En este tipo de válvulas (Figura 21) entre la entrada y la salida existe una bola o un cono que se mantiene presionado contra su asiento por medio de un resorte.

Línea de Presión

Depósito Fig. 21 Válvula de seguridad directa

7 Válvulas: Tipos

19

La fuerza que ejerce este resorte puede variarse, en las válvulas directas regulables, por medio de un sistema mecánico externo a la válvula (Figura 22). Cuando la presión del fluido en la entrada de la válvula es super ior a la que la mantiene cerrada, venciendo la fuerza del resorte (Figura 23), ésta se abre, permitiendo el paso del fluido hacia la salida de la válvula (que normalmente se conecta al depósito). En el momento en que la presión del sistema no sea suficiente para vencer la fuerza del resorte y mantener abierta la válvula, ésta se cerrará por la acción del resorte. Línea de Presión

Mando de Regulación

Depósito Fig. 22 Válvula de seguridad de acción directa y regulable (cerrada)

Línea de Presión Mando de Regulación

Depósito Fig. 23 Válvula de seguridad de acción directa y regulable (abierta)

7 Válvulas: Tipos

20

7.3 Válvulas Direccionales

Son aquellas que abren y cierran el paso y dirigen e l fluido en un sentido u otro a través de las distintas líneas de conexión. Se pueden clasificar por el número de pasos que tienen, el número de entradas y salidas que tienen y por el número de posiciones en que pueden actuar. Atendiendo a esta definición, las primeras válvulas direccionales que nos encontramos son las llamadas unidireccionales o anti-retornos. 7.3.1 Válvulas Unidireccionales

Las válvulas unidireccionales son, como su propio nombre indica, válvulas que permiten el flujo del fluido sea en un sólo sentido, y evitan el flujo en sentido inverso. 7.3.1.1 Anti-Retorno

Como muestra la figura 24, se trata de una válvula normalmente cerrada por medio de un cono o una bola, presurizados contra su asiento mediante un resorte. Paso Libre

Entrada

Salida

La presión del fluido vence la fuerza del resorte Paso Cerrado

Entrada La fuerza del resorte se suma a la presión del fluido y cierra el paso en sentido contrario Fig. 24 Válvula anti-retorno (abierta y cerrada)

Mientras la presión del fluido actúe en contraposición a la del resorte, éste se abrirá permitiendo el paso del fluido en la dirección hacia la vía opuesta; sin embargo, si la pre sión entra en la válvula por la parte del resorte, esta presión se suma a la propia del resorte bloqueando totalmen te el paso y evitando que el fluido pueda ir en sentido contrar io al anterior. Como se desprende de este principio de funcionamiento, todas las válvulas anti-retorno precisan una presión mínima para abrirse. Esta presión está en función del taraje del resorte. Por ello se puede variar la presión de apertura de la válvula cambiándole el resorte interior. Este factor es muy importante ya que entre las aplicaciones de esta válvula aquí se trata de mantener una presión mínima en el circuito. Normalmente el resorte de estas válvulas permite el paso del fluido a partir de una cierta presión mínima. Para determinadas aplicaciones interesa que el resorte de la válvula esté tarado a una presión determinada; en estos casos el símbolo de la misma deberá incluir la referencia del resorte. Estas válvulas son muy utilizadas en todos los sistemas hidráulicos, y su principio de funcionamiento se aplica en muchos otros tipos de válvulas. La sencillez de funcionamiento de estas válvulas hace que raramente sufran averías, si bien puede romperse el resorte o pueden presentar fugas por desgaste de los elementos de cierre.

7 Válvulas: Tipos

21

7.3.2 Válvulas Direccionales de dos Vías

Las válvulas direccionales de varias vías permiten el paso del fluido desde la entrada (llamada presión u orificio de presión) hacia las diferentes vías en que debe realizar sus funciones. Estas válvulas pueden ser normalmente abiertas o normalmente cerradas. El accionamiento de las mismas puede hacerse por distintos medios: manual, eléctrico y pilotado (hidráulico). La más sencilla de estas válvulas es la válvula de dos vías que puede ser abierta o cerrada, según sea su posición normal de funcionamiento. La válvula de dos vías es una simple llave de paso que permite que el caudal o la presión pasen o no a través de ellas. Se diferencia de los reguladores simples de caudal (llaves de aguja) en que ésta tiene como misión primordial el cierre total del paso de fluido, mientras que el regulador, que también puede llegar a cerr ar totalmente el paso del fluido, está diseñado para estrangular y restringir el paso del mismo. Ejemplos de llave de cierre son la de vaciado del depósito (normalmente cerrada) y la de aislamiento de los filtros (normalmente abierta). El modelo más empleado de llave de cierre es la llave esférica, denominación que adquiere por su construcción. (Figura 25).

Cerrado

Abierto

Fig. 25 Válvula direccional de dos vías

Estas válvulas son muy utilizadas en los sistemas hidráulicos para aislar los componentes. Así por ejemplo, se suelen colocar en la línea de aspiración de las bom bas para permitir que éstas se puedan desmontar sin necesidad de vaciar el depósito. Esta aplicación, que es muy frecuente, puede ocasionar problemas si se arranca el circuito sin haber abierto previamente la válvula. Mediante una combinación de muchas llaves de cierre se podría obtener la redirección del fluido a los distintos accionadores y puntos del circuito. Sin embargo, y para evitar la complejidad que esto representaría, se han diseñado las válvulas direccionales de múltiples vías.

7.3.3 Válvulas Direccionales de Varias Vías

En estas válvulas hay un orificio de entrada y según la válvula, diversos orificios que pueden ir hacia los accionadores o distintas partes del sistema, y un orificio de retorno hacia el depósito. La figura 26 muestra una llave de bola de varias vías. Como se puede observar, al hacer girar un mando externo (no reflejado en la figura), se mueve la bola interior y hace que las diferentes vías se intercomuniquen, permitiendo o cerrando el paso del fluido en las diversas direcciones.

7 Válvulas: Tipos

22

P

P

A

B A

T

P

B A

B

T

T

Fig. 26 Válvula direccional: cuatro vías y tres posiciones

Además de las válvulas direccionales rotativas, existen las de desplazamiento lineal (las más empleadas), en las que la conexión de las vías se realiza desplazando una vástago con un determ inado relieve por el interior de una camisa en la que se hallan las distintas vías. Todas las válvulas direccionales pueden ser manipuladas de tres formas distintas: válvulas de accionamiento manual, en las cuales la acción de apertura y cierre o movimiento del vástago o bola se realiza por medio de una palanca que es accionada desde el exterior; válvulas direccionales eléctricas, en las cuales esta función se realiza por medio de solenoides o electroimanes que accionan el vástago; y válvulas direccionales de accionamiento hidráulico en las cuales el desplazamiento del vástago se realiza mediante presión hidráulica. Así mismo existen combinaciones entre las manuales e hidráulicas y las eléctricas e hidráulicas. Para válvulas de gran caudal la fuerza necesaria para desplazar el vástago puede llegar a ser muy elevada. En estos casos el accionamiento manual o por solenoide no ofrece fuerza suficiente para desplazar el vástago. La solución consiste en aprovechar la presión hidráulica del sistema para pilotar el desplazamiento del vástago. Este pilotaje se hace externamente o internamente por med io de otra electro-válvula de pequeño tamaño que envía la presión de pilotaje a uno u otro extremo del vástago. Cuando se usan electro-válvulas pilotadas se ha de tener en cuenta la presión mínima necesaria para el pilotaje. En algunos circuitos, con vástagos de centro abierto (presión conectada a tanque), no existe presión suficiente para pilotar. En estos casos es necesario intercalar una válvula anti-retorno calibrada a una presión ligeramente superior a la necesaria para el pilotaje, y tomar éste inmediatamente antes del anti-retorno. La figura 27 muestra el funcionamiento típico de una válvula de vástago.

A

T

B

P

A

T

T

B

P

T

7 Válvulas: Tipos

23

Al desplazar la corredera hacia uno u otro lado la intercomunicación de las vías cambiaría de una hacia la otra. Estas válvulas son frecuentes en todos los sistemas hidráulicos para dirigir el flujo hacia uno u otro sentido del actuador. 7.3.3.1 Ejemplo Funcionamiento de una Válvula de Comando con Válvula de Alivio Incorporada

Válvula de Alivio

Posición Neutra

A

B

A

B

Cilindro B Cilindro A Fig. 28

Fig. 29

Fig. 30

La válvula de comandos se encuentra en posición de reposo, en donde se puede apreciar que el aceite ingresa y sale en forma libre por el canal de by-pass. (Figura 28) y las conexiones a cilindro A y B , están cerradas. El vástago de la válvula fue desplazado hacia la derecha cerrando así el canal del by-pass. En este caso el aceite se dirige por la zona de válvula de alivio, realizando la apertura de la válvula de retención y llegando a la conexión A y de allí hacia el cilindro produciendo el movimiento del mismo. En este momento, la válvula de alivio, controla la presión del circuito (Figura 29). Por la conexión B, se produce el retorno de aceite proveniente de la contra - cara del cilindro. En la figura 30 observamos el desplazamiento del vástago hacia la izquierda, generando el mismo efecto que el ejemplo anterior (Figura 29). En este caso el cilindro cambia de sentido de movimiento produciendo el retorno de aceite por la conexión A. EN LAS VALVULAS DE COMANDOS CON VALVULA DE ALIVIO INCORPORADA, LA CONEXION DE ENTRADA SE REALIZA SIEMPRE DEL LADO DE LA VALVULA DE ALIVIO 7.4 Válvula para el Control de Caudal

Las válvulas reguladoras de caudal son las que delimitan el volumen de líquido por unidad de tiempo que pasa a través del sistema. La más sencilla de estas válvulas es el grifo de cierre o llave de aguja, en el cual, según se va abriendo el mando de regulación, el caudal que pasa a su través incrementa. Sin embargo, este tipo tan sencillo de válvulas reguladoras de caudal no están compensadas, por lo que la retención que produce se transforma en calor. Son, pues, válvulas poco utilizadas debido a la generación de temperatura. Las válvulas reguladoras de caudal tienen también muchas aplicaciones dentro de los sistemas hidráulicos ya que sirven para variar la velocidad de los movimientos. 7.4.1 Válvulas Reguladoras de Caudal No Compensadas (Válvulas de Aguja)

El método más simple de regular el caudal es mediante la válvula de aguja. En la válvula de aguja un cono conectado al mando de regulación abre o cierra el paso según se separe más o menos de su asiento . Es decir, a medida que se va aflojando el mando se va incrementando el área de paso de fluido, pe rmitiendo un mayor caudal (Figura 31). En este tipo de válvulas el caudal regulado esta influenciado por la presión del circuito ya que al incrementar la presión también aumentará el caudal que pasa a través de la válvula (eso sí, con una mayor pérdida de carga y aumento de temperatura).

7 Válvulas: Tipos

24

Fig. 31 Válvula de aguja

7.4.2 Válvulas Reguladoras de Caudal Compensadas

Las válvulas de regulación compensadas mantienen el caudal constante indepe ndientemente de la diferencia de presión del fluido. Así, mientras en las válvulas no compensadas el caud al se incrementa en función de la presión, en las válvulas compensadas el caudal se mantiene constante a pesar de la variación de presión. Estas válvulas compensadas son las más utilizadas ya que mantienen las velocidades de los actuadores dentro de unos límites mucho más definidos que las válvulas no compensadas.

Salida

Salida a Tanque

Entrada

Fig. 32 Válvula reguladora de caudal compensada

La figura 32 muestra el funcionamiento de la válvula reguladora de caudal de tres vías compensada. Cuando la presión en la línea de caudal regulado se incrementa, la corredera se desplaza hacia la izquierda incrementando el paso de caudal hacia el orificio de regulación. Dentro del grupo de válvulas reguladoras de caudal compensadas nos encontramos con las válvulas divisoras de caudal, que son válvulas con una entrada y dos salidas de caudal reg ulado. Estas válvulas pueden suministrar dos caudales a partir de un caudal primario, por ejemplo cuando se trata de mover simultáneamente dos cilindros. La figura 33 muestra esquemáticamente una válvula divisora de caudal. Salida a Tanque Salida Primaria

Salida Secundaria

Entrada

8 Anexo 1 - Relación entre la Válvula de Limitación de Presión y la Colocación de una Bomba Nueva

25

8 Anexo 1 - Relación entre la Válvula Limitadora de Presión y la Colocación de una Bomba Nueva Desearíamos que la información que damos a continuación qu edara grabada en la memoria del lector: “El montaje de una bomba nueva en una máquina o en una instalación cualquiera debe estar acompañado obligatoriamente por un descalibrado total de la válvula de limitación de presión del circuito. El recalibrado de la válvula constituirá la operación final del proceso.” El proceso debe realizarse de la forma siguiente: 1. Colocar un manómetro con una escala conveniente, en una toma de la tubería, siempre prevista para esta finalidad (generalmente en la válvula de comandos). 2. Descalibrar la válvula de limitación de presión del circuito. Precaución: su regulación puede estar condicionada por un tornillo o bien por arandelas de calibración. En algunos casos, su descalibrado y recalibrado podría hacerse mejor en un banco de pruebas; pero por un lado cuando la operación se realiza en campo no es normal tener un tester portátil. 3. Montar la bomba, teniendo en cuenta de echarle aceite en la zona de sus dientes ó paletas, según el tipo, y a continuación proceder a conectar las cañerías ó mangueras. 4. Poner en marcha el motor, a fin de elevar la temperatura del aceite. 5. Bloquear los cilindros hidráulicos con un dispositivo cualquiera evitando las posiciones extremas, muy especialmente cuando los pistones están equipados con válvulas de limitación fin de carrera. 6. Después que el aceite haya alcanzado una temperatura comprendida entre 40 y 50ºC, aumentar el régimen de revoluciones del motor. 7. Desplazar la palanca del comando a fin de alimentar los cilindros. Si éstos se encuentran inmovilizados, la presión registrada será una presión estática, es decir, que se ha suprimido toda pérdida de carga y que la presión leída en el manómetro es válida para todos los puntos del circuito. Actuar entonces sobre el dispositivo de regulación de la válvula, en varios intentos, hasta obtener el valor de presión prescripto por el fabricante. ¿Por qué hay que descalibrar la válvula de limitación de presión del circuito antes de proceder al montaje de una bomba nueva?

La experiencia demuestra que ocurre frecuentemente que los últimos técnicos que han examinado la instalación han aumentado en un valor no despreciable la presión de seguridad de apertura de la válvula pensando obtener así una mejora de funcionamiento. Ésta operación que “a priori” parece inconcebible, es sin embargo realizada a diario: confusión del caudal con la presión. Si esta válvula no está totalmente descalibrada y a continuación reacondicionada a su valor nominal, la bomba nueva solo sobrevivirá por lo general algunas horas en su nuevo emplazamiento. (Exceso de presión no soportable por la bomba o incluso por el acoplamiento. Las averías en las bombas nuevas y su cambio sucesivo en cascada se deben en muchas ocasiones a que no se ha respetado esta precaución elemental.

9 Anexo 2 - Empleo de Abacos

26

9 Anexo 2 - Empleo de Abacos Analizaremos una instalación simple con un cilindro que accionaremos con una bomba y veremos como se debe proceder para seleccionar correctamente los elementos que integran dicho circuito. 1) El Cilindro (elemento principal) realiza un determinado trabajo, a través de un valor de empuje, con un recorrido o carrera que a su vez se efectúa en un cierto tiempo, indicativo de una velocidad de desplazamiento. Fijamos también el valor de presión con que vamos a trabajar en el circuito. Sintetizando y como ejemplo ilustrativo, tendremos: a) Fuerza Necesaria: F = 4.500 (kg) b) Carrera Necesaria: C = 800 (mm) c) Tiempo p/ recorrido total : T = 10 (seg.) d) Velocidad de desplazamiento: V = 80 (mm/seg.) e) Presión de trabajo P = 100 (kg/cm²) Con el valor F y la presión P, del ábaco 1, extraemos el valor del diámetro interior D = 76,2 (mm) que deber tener el cilindro.


27

2) El cilindro se desplazara con una velocidad V, por lo cual, con el diámetro obtenido y mediante la ayuda del ábaco 2, uniendo los puntos representativos comprobamos que las con diciones impuestas se cumplirán suministrándole un caudal Q = 22 (l/min), valor este que deberá ser entregado por la bomba. 3) Necesitaremos una bomba que proporcione Q = 22 (l/min) y que a su vez accione con un motor eléctrico a 1.450 RPM en los diferentes modelos fabricados y sobre la ba se de sus curvas características, tendremos que la bomba necesaria será de 16 cm³ / vuelta, o 22 l/min, a 1450 RPM y un rendimiento del 95% a 100 kg/cm² de presión.

Abaco Nº 2: para determinar el caudal necesario (tipo de bomba)


28

4) Ahora determinaremos la potencia necesaria del motor eléctrico utilizando el ábaco 3, uniendo los puntos, comprobamos que se hace necesario disponer de una potencia mínima de N = 6,25 HP para ηt = 95%. Observamos que en la citada tabla existe un eje con porcentajes relativos al rendimiento total, representativo de la eficiencia de toda instalación, estimándose prudente adoptar un valor que oscile alrededor del 80%. De todas maneras, debemos considerar un cierto margen de seguridad para afrontar eventuales requerimientos de mayores potencias hidráulicas. Por consiguiente la selección del motor eléctrico se hará p or exceso de potencia y encuadrado dentro de valores normales de fabricación. En este caso será conveniente adopta r por una potencia de N = 7 HP.

Pot. para

η = 80%

(adoptada)

(%)

Pot. para

η = 95%

(teórica)

Abaco Nº 3: para determinar la potencia necesaria (tipo de motor)


29

5) El caudal establecido, deberá ser conducido a través de tuberías, las que deberán estar correctamente dimensionadas, considerando la velocidad normal de circulación recomendada, conforme a los ábacos 4 y 5 que se detallan a continuación. TUBERÍA DE PRESIÓN (kg/cm²)

TUBERIA DE ASPIRACIÓN

TUBERIA DE RETORNO

0 a 10

10 a 25

25 a 50

50 a 100

100 a 150

150 a 200

0.5 a 1.5 m/seg.

2 m/seg.

3 m/seg.

3,5 m/seg.

4 m/seg.

4,5 m/seg.

5 m/seg.

5,5 m/seg.

Abaco Nº 4: velocidad del fluido para determinar el diámetro de cañería a utilizar

Del ábaco 5 y en base a valores establecidos en el ábaco 4, es posible seleccionar la tubería, con el diámetro interior apropiado y acorde a su ubicación en el circuito (Tubería “de presión”; “de retorno” y especialmente “de alimentación o aspiración”). Normalmente el mercado proveedor suministra medidas normalizadas, la selección deberá realizarse por valores en exceso ya que los valores obtenidos en el ábaco 5 son los mínimos indispensables. Los tubos de presión y retorno pueden unificarse en sus medidas. Todas estas consideraciones han sido realizadas sobre la base de una longitud de conductos no superior a 5 mts. En caso de verse rebasado dicho valor, convendrá analizar el problema más detenidamente mediante expresiones que evalúan las caídas de presión que pueden generarse o bien cubrir la eventualidad con mayores diámetros de tuberías. Resulta conveniente destacar que el líquido, por la tubería de aspiración, se desplaza con la mínima velocidad posible, que la longitud de dicho conducto es la mínima indispensable y que el nivel del depósito de aceite se encuentra por encima del de entrada de la bomba.


30

PRESIÓN

RETORNO

ASPIRACION

Abaco Nº 5: para determinar tipos de cañerías a utilizar (aspiración, presión y retorno)

10 Anexo 3 - Cambios de Giro en Bombas a Engranajes

31

10 Cambios de Giro en Bombas a Engranajes 10.1 Cambio de Giro Bomba B1 NOTA: Ejemplo válido solo para bombas B1 que

no tengan entrada y salida de caudal por toma de fijación.

1

2

3

4

5

6


32

10.2 Cambio de Giro Bomba BO

1

2

3

4

5

6


33

10.3 Cambio de Giro Bomba MC1

1

2

3

4

5

6


34

10.4 Cambio de Giro Bomba AP

1

2

3

4

5

6


35

10.5 Cambio de Giro Bomba MD1 NOTA: Antes de comenzar el desarmado de la bomba

se deberá contar con 1 tapón de espuma de poliuretano de Ø 33 x 30 mm de largo aproximadamente embebido en aceite de gran viscosidad o grasa. Una vez removido todos los tornillos de la bomba comenzar a retirar cuidadosamente la toma, colocando antes de retirarla por completo dicho tapón. Este procedimiento impedirá el desarme de las agujas de su respectiva canasta en el rodamiento.

1

2

3

4

5

6

11 Anexo 4 - Fallas

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11 Fallas 11.1 Fallas Producidas en Bombas a Engranajes

Las Fallas de bombas que se presentan en servicio, son en su mayor parte, debidas a errores cometidos en su operación. Los fluidos inadecuados, las sobrecargas y las reparaciones mal hechas son por lo general la causa por la cual una bomba deja de funcionar ó rinda menos de lo especificado. 11.1.1 Fallas ocasionadas por los fluidos inadecuados Fluidos contaminados con partículas finas

Producen aspereza en las superficies de trabajo de las bombas acelerando su desgaste. Fluidos contaminados con partículas gruesas

Producen ralladuras en los bujes y cuerpos de las bombas a engranajes, ralladuras en las paletas y estatos de bombas a paletas; atascamientos de válvulas a resortes de bombas a pistón, ralladuras en válvulas rotativas, etc. Se caracteriza por rayas en las superficies deslizantes y marcas profundas en dientes de engranajes. Fluidos combinados con cieno

La humedad ambiente se condensa y el agua mezclada con el fluido forma cieno ó lodo, que se deposita en los filtros y tuberías de aspiración; provocando caídas de presión en la aspiración, que a la postre se traducen en cavitación. Se manifiesta como desprendimientos de metal en las zonas de aspiración de las bombas. También la humedad provoca corrosión en partes de la bomba. Fluidos que afectan las empaquetaduras

Algunos fluidos contienen sustancias que pueden dañar las empaquetaduras internas y externas de las bombas, causando pérdidas que disminuyen su rendimiento y pueden llegar a permitir la entrada de aire al sistema ocasionando cavitación. Se manifiesta como desgaste prematuro de retenes y aro sellos y erosiones de cavitación en las zonas de aspiración. Fluidos demasiado viscosos

Aumentan la temperatura de trabajo, las presiones internas y las cargas de fricción, por otra parte falla la lubricación en algunos lugares de las bombas sobre todo en el arranque. Ocasionan desgastes prematuros y anormales. Fluidos poco viscosos

Aumentan las pérdidas internas y externas de la bomba, falla la lubricación, llegando hasta el engranamiento, no se alcanza la presión de trabajo requerida por fugas y la temperatura por consiguiente también aumenta. Se registran desgastes excesivos y engranes ó agarrotamientos. Fluidos incorrectos

Las distintas partes de un circuito determinan el tipo de fluido a usar y hay fluidos muy distintos en tre sí; cada uno para un uso específico. El uso de líquido de frenos o de mezclas inflamables en equipos corrientes de tractor son ejemplos de un uso incorrecto que finaliza en desperfectos en las bombas.

11 Anexo 4 - Fallas

37

11.1.2 Fallas ocasionadas por aire en el circuito

El ingreso de aire en el circuito, ya sea en la línea de aspiración, en el tanque por bajo nivel de fluido o en cualquier zona de descarga de cilindros y motores cuando se efectúan ma las maniobras, trae aparejado daños en la bomba. Las burbujas de aire en el sistema especialmente en las zonas de alta presión provocan cavitación con sus concurrentes desprendimientos de metal. 11.1.3 Fallas ocasionadas por sobre carga

Para tener una idea de la magnitud de la reducción en la vida útil de una bomba tenemos el caso de los cojinetes donde su vida útil varía inversamente proporcional con el cubo de la presión a que está sometido. Si la presión se aumenta el doble, la vida disminuye 8 veces. Las sobre presiones ocasionadas por mal funcionamiento de una válvula limitadora o por erróneo concepto de querer aumentar las velocidades de operación, aumentando la presión, traen aparejado serios daños en las bombas donde se resienten cojinetes, empaquetaduras, bujes, etc. Las sobre presiones pueden llegar a provocar roturas de cuerpos ejes y dientes de engranajes en las bombas. 11.1.4 Fallas ocasionadas por malas instalaciones

Un desarme de bomba, si no se toman las precauciones correspondientes puede ocasionar fallas posteriores graves. 11.2 Fallas Producidas en Circuitos Hidráulicos y Posibles Soluciones

En este apartado se detallarán una serie de defectos que indican un mal funcionamiento del sistema, inmediatamente se pondrán las causas probables que pueden provocar dicho desperfecto (la secuencia está de acuerdo con la probabilidad del suceso ó con la facilidad de comprobarlo) y a continuación su solución. 11.2.1 Ruido excesivo en bomba Cavitación

Limpiar los filtros sucios. Limpiar la línea de succión. Limpiar el filtro de aire del tanque. Cambiar el fluido del sistema. Verificar que la manguera de aspiración no se encuentre reducida en su sección.

Aire en el fluido

Apretar las conexiones de entrada que goteen. Llenar el tanque a nivel apropiado. Purgar el aire del sistema. Reemplazar el retén de la tapa de la bomba.

Acople desalineado

Alinear la unidad y comprobar las condiciones de los aros sellos.

Bomba desgastada o dañada

Reparar ó reemplazar.

11.2.2 Ruido excesivo en válvula de alivio Ajuste demasiado cercano a la presión de trabajo o al ajuste de otra válvula

Instalar un manómetro de presión y ajustar a la presión correcta.

Cono y asientos desgastados

Reparar o reemplazar.

11 Anexo 4 - Fallas

11.2.3 Calor excesivo en bomba Fluido caliente


Cavitación

Cambiar todos los filtros sucios. Limpiar la línea de succión si está obstruida. Limpiar el filtro de aire del tanque.

Aire en el fluido

Apretar las conexiones de entrada que goteen. Llenar el tanque a nivel apropiado. Purgar el aire del sistema. Reemplazar el retén de la tapa de la bomba.

Válvula de alivio o descarga con ajuste demasiado alta en presión


Carga excesiva

Alinear la unidad y comprobar las condiciones de los aros sellos. Localizar y corregir alguna restricción mecánica. Comprobar la carga de trabajo que pueda exceder la que señala el diseño.

Bomba desgastada o dañada


11.2.4 Calor excesivo en válvula de alivio Fluido caliente

Instalar un manómetro y ajustar a la presión correcta.

Ajuste incorrecto


Válvula desgastada o dañada


11.2.5 Calor excesivo en fluido Presión del sistema demasiada alta

Instalar un manómetro y ajustar la presión correcta.

Válvula de alivio o descarga con ajuste demasiado alta en presión


Fluido sucio o baja provisión

Cambiar los filtros y también fluidos del sistema si no tienen viscosidad apropiada. Llenar el tanque a nivel adecuado.

Fluido de viscosidad incorrecta

Cambiar los filtros y fluidos del sistema. Llenar el tanque a nivel adecuado.

Sistema de enfriamiento defectuoso

Reparar ó cambiar.

Bomba, válvula, motor, cilindro u otro componente desgastado

Reparar ó cambiar.

38

11 Anexo 4 - Fallas

11.2.6 No hay flujo La bomba no recibe flujo

Cambiar los filtros sucios. Limpiar la línea de succión. Limpiar el filtro de aire del tanque. Llenar el tanque a nivel apropiado.

Acople roto entre el motor y la bomba

Compruébese algún daño en la bomba ó en el manejo. Cambiar y linear el acople.

Motor que mueve a la bomba con rotación invertida

Invertir rotación.

Control direccional ajustado en posición incorrecta

Comprobar la posición de los controles operados con solenoides.

Todo el flujo para a través de la válvula de alivio

Ajustar.

Bomba dañada

Compruébese algún daño en la bomba ó en el manejo.

11.2.7 Poco flujo Ajuste del control de flujo demasiado cerrado

Ajustar.

Válvula de alivio o descarga con ajuste demasiado abierto

Ajustar.

Fuga externa en el sistema

Apretar las conexiones que tengan pérdida. Purgar el aire del sistema. Bomba, válvula, motor, cilindro u otro componente desgastado

Reparar ó cambiar.

11.2.8 Flujo excesivo Ajuste del control de flujo demasiado abierto

Ajustar.

11.2.9 No hay presión No hay flujo 11.2.10 Baja presión Hay un escape de presión

No hay flujo. Flujo incorrecto.

Ajuste de la válvula reguladora de presión demasiado bajo

Ajustar.

39

11 Anexo 4 - Fallas

Fugas externas excesivas

Apretar las conexiones que tengan pérdida. Llenar el tanque a nivel apropiado. Purgar el aire del sistema.

Válvula reguladora de presión desgastada o dañada

Reparar ó cambiar.

11.2.11 Presión errática Aire en el flujo

Apretar las conexiones que tengan pérdidas. Llenar el tanque a nivel apropiado. Purgar el aire del sistema.

Válvula de alivio desgastada

Reparar o Cambiar.

Contaminación en el flujo

Cambiar filtros. Cambiar el fluido del sistema.

Bomba, motor ó cilindro desgastado

Reparar ó cambiar.

11.2.12 Presión excesiva Válvula reguladora de presión o válvula de alivio mal ajustada

Ajustar. Reparar ó cambiar.

11.2.13 No hay movimiento No hay flujo o presión Control del límite o posición (mecánico, eléctrico ó hidráulico) inoperante ó desajustado.

Reparar ó cambiar.

Restricción mecánica

Localizar la restricción mecánica y reparar. Motor ó cilindro desgastado

Reparar o cambiar.

11.2.14 Movimiento lento Poco fluido Viscosidad del líquido demasiado alta

El flujo puede estar demasiado frío ó sucio y/o cambiarse por otro de viscosidad correcta.

Control de presión insuficiente para válvulas No hay lubricación en el paso de máquina o en los mecanismos de movimiento

Lubricar.

Motor ó cilindro desgastado

Reparar ó cambiar.

40

11 Anexo 4 - Fallas

11.2.15 Movimiento Presión Aire en el flujo No hay lubricación en los mecanismos de movimientos

Lubricar.

Motor ó cilindro desgastado

Reparar ó cambiar.

11.2.16 Velocidad o movimiento excesivo Flujo excesivo

Regular caudal.

41

11 Anexo 4 - Fallas

42

11.3 Fallas producidas en las placa de fricción de una bomba MD

Impurezas en el Aceite

Cavitación

11.4 Fallas producidas en bujes B1, BO y MC1

Las caras laterales se encuentran en un estado deplorable al igual que los alojamientos. En estas condiciones estas piezas quedan irrecuperables. Causas posibles de esta avería: suciedad en el aceite, calentamiento, etc.

Cojinete dañado en el buje por falta de aceite

11 Anexo 4 - Fallas

43

11.5 Fallas producidas en el cuerpo de una bomba (desgaste por entalladuras)

Se observa en este cuerpo de bomba el amplio rallado (igual a la altura de los engranajes) ocasionado por el rozamiento de las cimas de los dientes. La flecha señala la arista de la entalladura. Como es lógico, este desgaste se origina del lado de la alimentación. Puede ocurrir, sobre todo en el caso de bombas con carcasa de aluminio fundido, que en un productor de energía de este tipo que nunca hubiera funcionado a presiones elevadas, llegarán a aparecer hue llas muy semejantes a las que acabamos de mencionar. En este caso tales "HUELLAS" no son imputables a la acción de los dentados sobre los alojamientos de la carcasa, sino a una velocidad de paso excesivamente grande por el orificio de alimentación y por consiguiente, en el interior de la cavidad correspondiente.

11.6 Fallas producidas en engranajes de una bomba a engranajes

Se puede ver el estado de los ejes de una bomba a engranajes. Esto es producto de las impurezas en el aceite, originando así un excesivo calentamiento, posterior engrane y finalmente la destrucción total del equipo.

Producción de aire comprimido

2-1

2. Producción de aire comprimido Una instalación de aire comprimido consta de dos partes: La central compresora donde el aire comprimido se produce y se prepara convenientemente para su uso y la red de distribución, que lo transporta hasta el punto de consumo. Este capítulo se dedica a explicar detalladamente el proceso de producción de aire comprimido, así como el proceso de distribución posterior, que es necesario para que los grandes beneficios que conlleva esta energía alcancen a todos y cada uno de los usuarios. Además, al final del capítulo se incluyen algunos apartados dedicados al diseño de los elementos más importantes de una instalación neumática y un apartado final en el que se profundiza en los compresores alternativos, los más habitualmente utilizados.

2.1 Central compresora La misión de la central compresora es producir aire comprimido a una determinada presión y con unos niveles determinados de limpieza y de ausencia de humedad que garanticen unas condiciones de trabajo y de durabilidad óptimas. Generalmente consta de los siguientes elementos (figura 2-1): 

Filtro de aire



Compresor



Refrigerador – separador



Depósito de regulación



Secador

El compresor y el depósito regulador son dos elementos imprescindibles en toda central compresora y en conjunto son capaces de dar respuesta a la demanda de aire comprimido, que en ocasiones puede ser muy intermitente y variable. El refrigerador – separador y el secador son equipos destinados a mejorar la calidad del aire y son imprescindibles en instalaciones de entidad. Sin embargo, las instalaciones menores pueden carecer del secador y las más pequeñas incluso del refrigerador – separador.

2.1.1 Servicio a consumo variable Para entender cómo la central compresora es capaz de proporcionar adecuadamente aire comprimido a una instalación con consumo intermitente y variable, es fundamental tener claro el funcionamiento del conjunto formado por el compresor y el depósito de regulación. Como primera idea hay que subrayar que si no se dispusiera de un depósito de regulación, el compresor tendría que estar produciendo aire comprimido continuamente, incluso con las máquinas consumidoras paradas, ya que es preciso proporcionar el aire a presión en cuanto se necesita y con respuesta inmediata. Además, sería necesario regular constantemente el caudal

2-2

Neumática

proporcionado por el compresor para adecuarlo exactamente al consumo y evitar así fluctuaciones de presión en la red de distribución. Con la inclusión de un depósito de regulación en la central compresora la producción de aire comprimido se hace mucho más flexible y el compresor no tiene que producir aire comprimido constantemente: El caudal de aire que demanda la instalación es proporcionado por el depósito de regulación, y el compresor se encarga de reponer el volumen de aire cedido por éste sólo cuando es necesario. El depósito de regulación es simplemente un depósito con una cierta capacidad de almacenamiento de aire y en el que la presión se mantiene siempre entre unos valores máximo y mínimo establecidos. Este hecho hace que la presión en la red de distribución, con la que está directamente comunicado el depósito, se encuentre siempre comprendida entre dos presiones determinadas. Otras ventajas que ofrece el depósito de regulación es que es capaz de atender a consumos extraordinarios de la red y que permite amortiguar las pulsaciones de los compresores alternativos, que tienen un funcionamiento cíclico discontinuo (apartado 2.14).

ATMOSFERA

p = 0 bar T = 15 ºC 10 g agua/m3 SUCIO

FILTRO

CENTRAL COMPRESORA

30 °C p = 6,9 bar 14 g agua/m3

LIMPIO

COMPRESOR

AIRE COMPRIMIDO

130 °C p = 7 bar 80 g agua/m3 SUCIO

AIRE CON AGUA

REFRIGERADOR

SEPARADOR

AIRE HUMEDO

p =6,4- 6,9 bar 12 g agua/m 3 SUCIO DEPOSITO REGULADOR

30 °C

ELIMINACIÓN DE IMPUREZAS AIRE

LIMPIO

SECADOR

AIRE ATMOSFERA

USO p =6 bar LIMPIO SECO

EQUIPO DE MANTENIMIENTO p =6- 6,5 bar SUCIO

ACOMETIDA

SECO

RED DE DISTRIBUCIÓN p =6,3- 6,8 bar SECO

Figura 2-1. Organigrama de una central compresora y de la red de distribución. El depósito de regulación va vaciándose mientras proporciona aire a la instalación hasta que en su interior se alcanza la presión mínima establecida. En ese momento transmite una consigna al compresor para que comience a producir aire comprimido y reponga el volumen que


2-3

ha salido para el consumo; mientras se produce la reposición del aire, el depósito puede seguir proporcionando el caudal de consumo que requiere la instalación. Cuando, como consecuencia del llenado, en el depósito se alcanza la presión máxima establecida, éste da la orden al compresor para que deje de producir aire comprimido y empieza a vaciarse de nuevo mientras proporciona el caudal necesario. Así pues, el compresor funciona siguiendo un ciclo que está controlado por las necesidades del depósito de regulación. Se conoce como ciclo de funcionamiento del compresor al lapso de tiempo transcurrido entre dos consignas para reanudar la producción de aire comprimido consecutivas. Como ya se ha explicado, el compresor produce aire comprimido sólo en una parte de su ciclo de funcionamiento. La anulación y la reanudación de la producción de aire comprimido por parte del compresor se puede realizar por dos procedimientos: 

Automático, con parada del compresor.



Continuo, con el compresor en marcha en todo momento.

El primer procedimiento tiene como única ventaja el ahorro energético, pero el número de paradas y puestas en marcha debe limitarse para evitar fatigas en el motor, en el aparellaje eléctrico, en la transmisión y en el propio compresor. Por este motivo, la parada del compresor se utiliza normalmente tan sólo en compresores pequeños no superiores a los 10 CV de potencia. La anulación de la producción del aire comprimido sin la parada del com presor se utiliza en las instalaciones de cierta envergadura y puede conseguirse mediante varios procedimientos. El más usual es el conocido como puesta en vacío, que consiste en devolver la totalidad del aire aspirado a la atmósfera sin haber sido comprimido. La potencia consumida durante esta fase puede oscilar entre el 10 y el 15% de la total.

2.1.2 Acondicionamiento del aire Como ya se ha mencionado, producir el aire comprimido con unas condiciones determinadas de sequedad y limpieza es fundamental para que una instalación funcione correctamente y tenga una vida larga. Sin embargo, hay que tener en cuenta que eliminar casi la totalidad de la humedad y de la suciedad del aire, además de ser innecesario por lo general, puede tener un coste económico prohibitivo. Por tanto, el aire comprimido tiene que estar únicamente tan limpio y seco como sea indispensable. Gran parte de la suciedad que puede llevar el aire de la atmósfera es eliminada por medio del filtro que se sitúa siempre en la entrada de la central compresora. De esta manera el aire llega relativamente limpio al compresor. Sin embargo, dentro de éste se le pueden agregar ciertos agentes contaminantes indeseados, tales como partículas sólidas y aceite quemado. Las partículas sólidas se pueden producir por desprendimientos de esquirlas y cascarillas metálicas. El aceite procede de la lubricación del compresor, donde se calienta e incluso se quema, y es arrastrado por

2-4

Neumática

el aire en forma de gotas, vapor y partículas sólidas producidas en la quema. Por esta razón los compresores cuentan en su salida con un sistema para separar el aceite del aire, en el que además las partículas sólidas precipitan y pueden ser eliminadas. De esta forma el aceite puede ser reutilizado para la lubricación formando un circuito cerrado. Desde que el aire comprimido sale del compresor hasta que llega a la red de distribución pasa por varios filtros y separadores que se encuentran en los elementos de la central. De esta manera se asegura que el aire llega a la red de distribución con una limpieza adecuada. Sin embargo, una vez en la red de distribución el aire puede ensuciarse con restos desprendidos de las tuberías de la instalación, tales como cascarillas de soldadura. Por esta razón, siempre se hace pasar el aire por un filtro en el equipo de mantenimiento (apartado 2.9.1) antes de ser finalmente usado. En lo que se refiere a la humedad del aire, la razón más importante por la que se trata de eliminar es evitar que en la instalación se puedan producir condensaciones de agua que lleguen a los elementos de consumo. El funcionamiento y la vida útil de los actuadores neumáticos y las válvulas se ven seriamente perjudicados si se produce esta circunstancia. Como es bien conocido, si se tiene una cantidad de aire húmedo a una determinada presión, al disminuir su temperatura se incrementa su humedad relativa hasta que llega un momento en que es del 100% y se satura. La temperatura existente en ese instante se denomina temperatura o punto de rocío y si el enfriamiento continúa, el agua contenida en el aire comienza a

condensarse. Por tanto, admitiendo que la temperatura del aire de la instalación es la mism a que la temperatura del ambiente, para que en una instalación neumática no se produzcan nunca

condensados la temperatura de rocío del aire tiene que ser menor que la temperatura ambiente más baja que pueda producirse. Por otra parte, se sabe también que la temperatura de rocío del aire a una presión determinada es menor cuanto menor es el contenido absoluto de agua (g agua / kg aire). Esto quiere decir que la temperatura de rocío del aire de una instalación disminuye si se elimina

una parte del agua que contiene , que es precisamente lo que se hace en la central compresora por medio del separador que sigue al refrigerador y del secador . En los apartados siguientes se explican más en profundidad cada uno de los elementos que conforman la central compresora.


2-5

2.2 Filtrado previo del aire Es muy importante, con el fin de evitar problemas de mantenimiento y alargar la vida de la instalación, que el aire penetre en el compresor lo más limpio posible, con ausencia de impurezas y de partículas en suspensión. Una primera precaución a adoptar es ubicar la central compresora en un lugar que permita una fácil renovación de aire, lejos de polvos y humos, y allí donde no existan corrientes fuertes de aire. A pesar de todo ello los compresores han de disponer en su aspiración de un sistema de filtrado que dificulte la entrada de partículas sólidas. En el momento de seleccionar el filtro es preciso tener en cuenta que cuanto mayor sea su eficacia más cantidad de partículas retendrá, pero mayor será su pérdida de carga, repercutiendo desfavorablemente en el rendimiento del compresor. Los tipos de filtros más utilizados son: 

Filtro de malla impregnado en aceite



Filtro de fieltro



Filtro de papel

El filtro de malla impregnado en aceite tiene una menor eficacia pero su mantenimiento es muy simple; se utiliza en compresores de capacidad reducida. Los filtros de papel son similares en eficacia a los de fieltro, pero tienen la ventaja de que al ser económicos, cuando se colmatan se desechan cambiándolos por uno nuevo.

2.3 Compresores Un compresor es una máquina destinada a incrementar la presión de un gas o una mezcla de gases a partir de la presión atmosférica, con el fin de proporcionarle energía y utilizarlo en múltiples aplicaciones. El incremento de la presión del aire puede efectuarse en una única etapa o en varias etapas, que es como se hace cuando el aumento de presión necesario es muy elevado. En este caso el aire suele refrigerarse entre cada una de las etapas para mejorar el rendimiento del compresor y para disminuir la temperatura del aire a su salida. Si se trata de elevar la presión del gas partiendo de un valor superior al de la presión atmosférica, la máquina se denomina surpresor o booster .

El tamaño de los compresores puede variar desde grandes aparatos de varios cientos de kilogramos de peso hasta los más pequeños, que pueden transportarse sobre un pequeño carro sobre ruedas que permite su traslado con facilidad y su ubicación en cualquier lugar. Los compresores tienen un inconveniente en el elevado nivel sonoro que alcanzan durante su funcionamiento, y que puede llegar a ser de hasta 85 dBA. Para evitar este problema se suelen

2-6

Neumática

tomar diferentes medidas como colocar elementos aislantes de ruido alrededor del compresor y, si se puede, aislar la central compresora del resto del recinto.

2.3.1 Tipos de compresores Los compresores que se fabrican hoy día se dividen en dos grandes grupos, atendiendo a su principio de funcionamiento: turbocompresores o compresores dinámicos y compresores volumétricos o estáticos. Cada uno de estos grupos se subdivide a su vez en varias clases, que se muestran en el esquema siguiente: De pistón Alternativos De membrana Volumétricos De paletas Rotativos Compresores

De tornillo helicoidal

Radiales

Turbocompresores

Diagonales

Axiales

Los turbocompresores o compresores dinámicos basan su funcionamiento en el teorema de la cantidad de movimiento. Disponen de un órgano fundamental, denominado impulsor, que gira sobre un eje a gran velocidad (figura 2-2), transformando la energía mecánica que recibe del motor de arrastre en energía cinética del fluido. Posteriormente esta energía cinética se transforma en energía de presión.


2-7

Figura 2-2. Turbocompresor axial.

Los compresores volumétricos o estáticos, llamados también de desplazamiento positivo, basan su principio de funcionamiento en la ecuación de estado de gas ideal y en el Principio de Pascal, es decir, aumentan la presión del gas gracias a la reducción de su volumen, transmitiéndola íntegramente a todo el fluido situado aguas abajo. Estos compresores disponen de un elemento denominado desplazador, que atrapa el gas mediante la creación de una succión, reduce su volumen, y lo desplaza hacia la salida donde existe una presión superior. Los compresores volumétricos se dividen a su vez en alternativos y rotativos, dependiendo del tipo de movimiento que posee su órgano desplazador.

Los compresores alternativos son los más utilizados en la industria y los servicios por sus notables ventajas y características, que los convierten en los más económicos tanto en el momento de su adquisición como en el de su uso. Constan, en esencia, de un cilindro donde se desplaza alternativamente un émbolo arrastrado desde el exterior por un vástago, o simplemente por una biela; cuando éste comienza a salir del cilindro se crea una succión que permite la entrada del aire desde el exterior a través de una válvula, llenándolo (figura 2-3, izq.). Cuando el pistón regresa se reduce el volumen y se incrementa la presión del aire hasta alcanzar un valor en el que se abre una válvula que conecta el cilindro con el servicio (figura 2-3, dha.).

2-8

Neumática

Figura 2-3. Esquema de funcionamiento de un compresor alternativo o de pistón. En determinados compresores de prestaciones reducidas el pistón es sustituido por una membrana, que desplazada alternativamente, crea la succión y la compresión dentro de una cámara. Reciben el nombre de compresores de membrana (figura 2-4).

Figura 2-4. Compresor de membrana.

Los compresores volumétricos rotativos disponen de un cuerpo o carcasa generalmente cilíndrica, dentro del cual están dispuestas unas piezas móviles giratorias de una forma variada. Estas piezas crean unos recintos que en primer término atrapan el aire mediante succión, para luego disminuir su volumen, elevar su presión y al mismo tiempo desplazarlo hacia su salida, en contacto con una zona de mayor presión. Entre este tipo de compresores cabe citar los de paletas y los de tornillo como los más importantes (figuras 2-5 y 2-6).


Figura 2-5. Esquema de compresor de paletas.

2-9

Figura 2-6. Esquema de compresor de tornillo.

2.3.2 Campos de aplicación de cada tipo de compresor Los turbocompresores o compresores dinámicos se emplean para la producción de grandes caudales en aplicaciones muy específicas. Dentro de ellos, los compresores axiales corresponden a caudales muy importantes para presiones reducidas; los radiales o centrífugos trabajan con caudales relativamente menores y presiones más elevadas; y los diagonales se utilizan para valores intermedios. Los compresores volumétricos o estáticos funcionan con caudales bastante menores que los anteriores, pudiendo obtener presiones más elevadas. Su campo de aplicación es notablemente más amplio que el de los compresores dinámicos. En la figura 2-7 se puede observar los campos de aplicación, en caudal y presión, de cada uno de los tipos de compresor reseñados.

2-10

Neumática

Compresor de émbolo

Turbocompresor radial

Compresor de tornillo helicoidal

Turbocompresor axial

Compresor de paletas

Figura 2-7. Campo de aplicación de cada tipo de compresor.

2.4 Refrigerador posterior - separador El aire sale del compresor a una temperatura comprendida entre 80 y 130 °C dependiendo del tipo de compresor de que se trate. Indudablemente esta temperatura es excesiva para la mayoría de utilizaciones, por lo que es necesario disminuirla. El conjunto formado por el refrigerador y el separador tiene como misión refrigerar el aire hasta 30-35°C aproximadamente, a la vez que se elimina toda la cantidad de agua que se condensa en dicho proceso, que suele ser cercana al 80% del contenido total.


2-11

En las instalaciones grandes el refrigerador es un intercambiador de calor multitubular aire – agua a contracorriente. En instalaciones más modestas suelen utilizarse intercambiadores aire – aire compuestos por un radiador refrigerado mediante un ventilador, tal como muestra la figura 2-8. El rendimiento de este tipo de refrigeradores es menor que el de los intercambiadores aire – agua. 1

3 4

1 Entrada de aire caliente 2 Salida de aire frio 3 Ventilador 4 Radiador 5 Separador de condensados 6 Purga

5 2

6 Figura 2-8. Esquema de un refrigerador aire – aire. El separador generalmente se sitúa en la parte inferior del refrigerador. Consiste simplemente en una placa deflectora que obliga a sifonar el aire, lo que hace que el agua condensada se desprenda por gravedad. Una vez depositada en el fondo, el agua se elimina del depósito de recogida mediante una purga automática o manual. El aire que sale del refrigerador – separador está saturado de agua que sigue condensándose a medida que la temperatura del aire desciende. Su eliminación definitiva se efectuará en el secador, tal como se describe más adelante.

2.4.1 Instalación de agua de refrigeración En un intercambiador aire – agua el caudal de agua para la refrigeración puede llegar a ser importante, dependiendo indudablemente de la potencia del compresor. Una fórmula práctica que permite calcular dicho caudal es:

Qt

=

0,86 P ⋅ 0,95 ∆t

2-12

Neumática

donde Qt es el caudal de agua en m 3/h, P la potencia absorbida por el compresor en kW, 0,95 el coeficiente que evalúa la cantidad de calor que se elimina a través del agua, estimándose en 0,05 la cantidad de calor disipado a través del ambiente y ∆t la diferencia de temperatura del agua entre su entrada y salida en °C. Normalmente se admite que sea de 10°C, si bien en algunas ocasiones puede ser superior. En instalaciones de cierta importancia o en los casos en que el agua sea escasa o cara, es conveniente e incluso necesario montar un servicio de refrigeración en circuito cerrado que permita recircular el agua.

2.5 Depósito de regulación El funcionamiento del depósito regulador y su importancia en la capacidad de generación de aire comprimido ya han sido explicados en el apartado referente a la central compresora (apartado 2.1). En este apartado que sigue se describen únicamente sus características constructivas más importantes. El depósito de regulación cuenta en su interior con un presostato o con un sensor de presión para detectar cuándo se sobrepasa la presión máxima o mínima y transmitir la señal de mando pertinente al compresor. Para que en ningún caso la presión pueda sobrepasar el valor máximo prefijado, el depósito llevará instalada una válvula de seguridad. Dicha válvula ha de ser capaz de desalojar todo el caudal que pueda proporcionar el compresor sin que se incremente la presión en el depósito más de un 10%. Por otra parte, el depósito habrá de llevar en su parte inferior una purga para eliminar los condensados que se producen al enfriarse naturalmente el aire, dado que su temperatura es generalmente superior a la del ambiente que le rodea. Para evitar que el flujo de aire arrastre el agua condensada, la entrada se efectúa por la parte inferior y la salida por la superior. El depósito se construye normalmente con chapa de acero, pintado interior y exteriormente con pintura antioxidante. Es siempre cilíndrico con fondos en forma de sector esférico. El más económico es aproximadamente el que tiene una altura igual al diámetro. Sin embargo para que ocupe una superficie menor de terreno, suelen tener una altura superior, del orden de 2 a 3 veces el diámetro. En todo caso deberá cumplir el Reglamento de recipientes a presión y sus instrucciones técnicas complementarias, particularmente la MIE-AP 17 dedicada a instalaciones de tratamiento y almacenamiento de aire comprimido. Debe disponer, además, de una entrada de hombre para poder efectuar su limpieza y mantenimiento periódicamente. A la salida del depósito ciertas instalaciones disponen de un tratamiento de filtrado que elimina el aceite y otro tipo de partículas que pudieran haberse mantenido hasta este punto (figura 2-1, Eliminación de Impurezas ). Los filtros utilizados pueden ser de diferentes tipos y, en esencia, aprovechan la energía cinética del aire para desprender las partículas más grandes, y las propiedades de determinados materiales que impiden el paso de las partículas pero permiten la circulación del aire.


2-13

2.6 Secador El secador tiene como finalidad eliminar la mayor parte del agua que todavía tiene el aire, de tal forma que posteriormente no exista posibilidad alguna de que se produzcan condensaciones. Por esta razón, en las instalaciones que disponen de secador no sería necesario, como se hace en las convencionales, tener una serie de precauciones en la red y en la propia acometida para eliminar el agua condensada. Muchas instalaciones carecen de este elemento, pero es realmente muy útil, pues optimiza la instalación en gran medida, y no debe faltar en servicios de alguna importancia. Existen fundamentalmente tres tipos de secadores: Los que eliminan el agua mediante materiales adsorbentes, los que lo hacen mediante sustancias absorbentes y los que lo realizan mediante un fuerte enfriamiento del aire.

2.6.1 Secado por adsorción Consiste en hacer pasar el aire a través de un material adsorbente, como por ejemplo la alúmina, que tiene la propiedad de retener el vapor de agua en su superficie. Dado que el material adsorbente se satura en un cierto período de tiempo, del orden de cuatro horas, el secador dispone de dos torres de secado en paralelo, para que funcionen alternativamente (figura 2-9). En el tiempo en que una de las torres está trabajando la otra se regenera, es decir, se elimina el agua de la alúmina. La regeneración se produce mediante el soplado de aire caliente, generalmente calentado por medio de una resistencia eléctrica. El consumo de aire se estima en un 3% del caudal de aire tratado. En determinados casos las torres no disponen de calentamiento, siendo entonces sus ciclos mucho más cortos, del orden de cuatro minutos, con un gran consumo de aire para el barrido de los condensados. En esta ocasión el caudal de aire necesario es del orden del 14% del caudal tratado. En ambos casos este caudal se deberá tener en cuenta en el momento de seleccionar el compresor. El secado mediante este procedimiento es tan potente que pueden obtenerse temperaturas de rocío de hasta -70°C. Sin embargo, hay que subrayar que se requieren unas instalaciones muy costosas, por lo que su uso se limita a las aplicaciones en las que se necesita un nivel de sequedad muy elevado del aire. En el caso de utilizar este tipo de secadores, como tratamiento final se dispone de un filtro que elimine las posibles partículas de material adsorbente arrastradas por el aire.

2-14

Neumática

Figura 2-9. Esquema de un secador adsorbente.

2.6.2 Secado por absorción En este caso el aire comprimido se hace pasar por un lecho de una sustancia salina (figura 2-10). El vapor de agua reacciona químicamente al entrar en contacto con dicha sustancia y se desprende como mezcla de agua y otras sustancias. Dicha mezcla no es regenerable y debe eliminarse regularmente del secador. Por tanto, este tipo de secado conlleva un consumo permanente de sustancia secante, que debe reponerse periódicamente dependiendo de las horas de funcionamiento del compresor. La temperatura de rocío que se puede llegar a conseguir mediante este procedimiento es de hasta –15ºC.

1. Aire comprimido seco 2. Contenedor 3. Substancia salina 4. Salida del condensado 5. Aire húmedo proveniente del compresor 6. Depósito de condensado

Figura 2-10. Esquema de un secador por absorción.


2-15

2.6.3 Secado por enfriamiento El secado por enfriamiento consiste en enfriar el aire hasta 3°C aproximadamente, con lo que se consigue condensar gran parte del agua que contiene el aire, eliminar el condensado formado y volver a calentar el aire antes de incorporarlo a la red. Su funcionamiento, que se esquematiza en la (figura 2-11), consiste en lo siguiente: En primer lugar, el aire se enfría en un primer intercambiador de calor desde los 30 - 35°C a que llega, a unos 20°C, gracias al calor absorbido por el aire refrigerado ya seco que se dispone a salir del secador. A continuación pasa a un segundo intercambiador donde se enfría hasta 2°C gracias a un sistema frigorífico; se forma agua condensada que posteriormente es retirada en un depósito separador. Por último, el aire refrigerado seco se calienta hasta unos 20ºC antes de salir del secador, absorbiendo el calor del aire húmedo en el primer intercambiador, como ya ha sido explicado. Gracias a este procedimiento se obtiene aire seco sin posibilidad de que se condense agua, si su temperatura no desciende por debajo de los 2 o 3°C. Estos secadores no tienen consumo de aire.

20 ºC

30 ºC

2 ºC

Figura 2-11. Esquema de un secador frigorífico.

2.7 Compresores compactos Existen compresores que incluyen de manera compacta la central compresora casi completa, comprendiendo los filtros para eliminación de impurezas, el refrigerador y el secador. Este es el caso del compresor que se representa en la figura 2-12.

2-16

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Neumática

CIRCUITO DE AIRE Filtro de aspiración de aire. 9. Depósito de aceite. Válvula de aspiración. 10. Refrigerador de aceite. Elemento de compresión. 11. Válvula termostática Elemento separador de aceite. de by-pass. Válvula de presión mínima. 12. Filtro de aceite. Refrigerador posterior. Intercambiador de calor aire-aire. Separador de humedad con purgador.

CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN 13. Compresor de refrigeración. 14. Condensador. 15. Filtro de líquido refrigerante. 16. Tubo capilar. 17. Evaporador. 18. Acumulador. 19. Válvula de derivación de gas caliente.

Figura 2-12. Esquema de compresor de tornillo compacto.

2.8 Red de distribución Después de haber producido y tratado convenientemente el aire comprimido, hay que distribuirlo de tal manera que llegue a todos y cada uno de los puntos de consumo. Para ello se deberán trazar a partir de la central compresora una serie de tuberías y de acometidas que constituyen la red de distribución.

2.8.1 Tipos de red de distribución Existen tres tipos de red de distribución: 

Red ramificada o abierta



Red mallada o cerrada



Red mixta


2-17

El primer tipo de red está formado por la tubería que parte de la central compresora que se desglosa en dos y estas a su vez se ramifican en otras dos y así sucesivamente hasta alcanzar cada uno de los puntos de consumo, constituyendo una red abierta. En el caso de la red mallada la tubería que parte de la central compresora se divide también en dos, y estas a su vez en dos, y así sucesivamente, pero cerrándose todas ellas en sus extremos, formando anillos cerrados. La red mixta, probablemente la más frecuentemente empleada, está formada por circuitos cerrados, de los que parten algunos ramales que no se cierran en sus extremos (figura 2-13). 1. Tubería conexión compresor-instalación 2. Tubería principal 3. Acometida 4. Compresor 5. Codo de 90º 6. Horquilla para montaje en la pared 7. Tubo 8. Válvula esférica 9. Tubo acodado 10. Disco de pared 11. Empalme con rosca interior 12. Filtro 13. Lubricador 14. Unidad consumidora 15. Condensado 16. Tubo flexible 17. Tubería secundaria 18. Llave de cierre Figura 2-13. Esquema de red de distribución de aire comprimido. La red de distribución abierta tiene como única ventaja que en principio es más económica al tener una menor longitud. En una red mallada los consumos pueden ser atendidos por caminos diferentes, consiguiéndose un reparto de caudales óptimo, que produce pérdidas de carga mínimas en las tuberías y por tanto presiones máximas en las acometidas, adecuándose en todo momento a la distribución de consumos, constantemente cambiante en este tipo de instalaciones. Por otra parte en las redes cerradas se puede mantener el servicio en caso de avería, sin más que aislar el tramo en que se presente, mediante el maniobrado de válvulas estratégicamente distribuidas en la red. Obviamente, en una red abierta quedarán fuera de servicio todas las acometidas situadas aguas abajo del punto donde se produjera una anomalía.

2-18

Neumática

Teniendo en cuenta tales aseveraciones se aconseja utilizar la red abierta tan sólo en instalaciones reducidas, que proporcionen un servicio de poca importancia. Por tanto se debe emplear la red mallada en todos los demás casos, si bien se pueden instalar ramales para atender a consumos alejados o de menor entidad, en los que el cierre del circuito pudiera ser costoso.

2.8.2 Trazado de las líneas Las tuberías que forman la red se disponen casi universalmente aéreas, siendo subterráneas tan sólo en casos totalmente necesarios. Se disponen normalmente en la parte más alta de la nave, junto a su techo o entre las cerchas, adaptándose al tipo de estructura, cuidando en todo caso no interrumpir la circulación de grúas puente o polipastos o perturbar otros elementos e instalaciones. En algunos casos pueden disponerse a menor altura junto a las paredes de la nave. Las tuberías se sitúan colgadas mediante soportes dispuestos en el techo, o apoyadas en ménsulas, cuando discurren cerca de las paredes, o aprovechando la propia estructura de la nave. Los puntos de sujeción de la tubería deberán situarse a una distancia no mayor de 3 a 4 m. La conducción debe disponer el mínimo de codos posible y cuando sean necesarios habrán de tener un radio amplio, evitando los cambios de dirección bruscos. Previamente a diseñar el trazado de la red, es preciso conocer la disposición en planta de los puntos de consumo, junto con los caudales y presiones necesarios respectivos. Conocida esta disposición se procederá a elegir el punto de ubicación de la central compresora. Para obtener el menor costo en la implantación de la red y un buen funcionamiento de la instalación es aconsejable que la central compresora, en lo posible, se sitúe próxima al centro de gravedad de las cargas, es decir cerca de donde se encuentren los mayores consumos. Sin embargo, en múltiples ocasiones para evitar ruidos, por necesidades de espacio o por otros motivos, la central se ubica en otros lugares, lo cual redunda en un mayor costo de tuberías, por su mayor longitud y diámetro, así como un mayor consumo de energía en su funcionamiento. Teniendo en cuenta la posición de la central compresora y la distribución de consumos se diseña el trazado de la red, cuidando de que las líneas principales pasen próximas a los consumos más importantes.

2.8.3 Detalles constructivos Si bien anteriormente se ha explicado que el aire comprimido producido por la central compresora puede salir casi totalmente exento de humedad, gracias al refrigerador posterior y al secador, es conveniente adoptar una serie de precauciones para eliminar el agua condensada en el caso de que pudiera producirse. En algunas instalaciones la central compresora carece de secador, e incluso de refrigerador posterior, en cuyo caso las precauciones se hacen necesarias; pero aunque existieran es conveniente adoptarlas por si se averiaran.


2-19

En todo caso ha de garantizarse que el aire comprimido llegue a los puntos de consumo sin humedad si se desea que los equipos neumáticos funcionen perfectamente, tengan un fácil mantenimiento y una larga vida. Para conseguir tal objetivo se pondrán todos los medios posibles, teniendo tal misión una buena parte de los detalles constructivos de la red de distribución.

PENDIENTES DE LAS TUBERÍAS Las tuberías principales y secundarias deben disponerse con una pendiente descendiente en el sentido del flujo no menor de 3 milésimas, entre 6 y 10 milésimas preferiblemente, de manera que el agua que pudiera condensarse sea arrastrada aguas abajo y pueda recogerse en puntos bajos, dispuestos cada 25 o 30 metros. Sólo se disponen tuberías horizontales en los tramos en los que, dada la variabilidad de la distribución de consumos, el aire pueda fluir normalmente en los dos sentidos.

RECOGIDA DEL AGUA CONDENSADA Indudablemente los conductos no pueden descender indefinidamente, por lo que deben disponerse puntos en que recuperen la altura perdida, siendo en estos lugares precisamente donde se aprovecha para recoger el agua condensada. En estos puntos puede disponerse un doble codo o unos pequeños depósitos de recogida del agua condensada, tal como se observa en la figura 2-14.

Figura 2-14. Depósito de recogida de agua. Tanto una solución como la otra dispondrán una válvula de purga, que puede ser automática o manual, y una tubería que conduzca el agua condensada hasta un sumidero. La solución más perfecta es indudablemente la del depósito ya que tiene una mayor capacidad de recogida del agua condensada, mayor dificultad de que sea arrastrada por la

2-20

Neumática

VARIACIÓN DEL DIÁMETRO DE LA TUBERÍA La modificación del diámetro de la tubería no debe realizarse en ningún caso en medio de un tramo, sino que deben aprovecharse los puntos de recogida del agua condensada. Si se disponen dobles codos el cambio de diámetro no se hará nunca mediante estrechamientos bruscos sino con conos de reducción.

TIPOS DE TUBERÍAS UTILIZADAS Las cualidades que ha de tener una conducción de aire com primido son fundamentalmente estanquidad y resistencia a la presión interna y a las solicitaciones externas. Las tuberías más comúnmente empleadas son las de acero negro (no galvanizado), con o sin soldadura y unidas mediante roscado. En la unión roscada, para evitar las fugas, se utiliza estopa impregnada en minio, o mejor cinta de teflón. Externamente deberán tener un tratamiento antioxidante e irán pintadas en color azul moderado, según prescripción de la norma UNE 1063. En instalaciones importantes suele emplearse la unión mediante bridas, soluciones que representan un mayor costo, pero garantizan una estanquidad superior. Los diámetros nominales y reales de las tuberías de acero figuran en la tabla 2-1. DIÁMETRO NOMINAL

DIÁMETRO EXTERIOR

DIÁMETRO INTERIOR

Pulgadas 1/8 1/4 3/8 1/2 3/4 1 1¼ 1½ 2 2½ 3 4 5 6

mm 10,2 13,5 17,2 21,3 26,9 33,7 42,4 48,3 60,3 76,1 88,9 114,3 139,7 165,1

mm 4,9 7,7 11,4 14,8 20,4 25,6 34,3 40,2 51,3 67,1 79,2 103,5 128,9 154,3

Tabla 2-1. Diámetros de tuberías comerciales según norma DIN 2441. Últimamente las tuberías de material plástico (poliéster reforzado, PVC, polietileno…) están sustituyendo al acero en algunas instalaciones, dadas sus ventajas respecto a éstas últimas: menor rugosidad y por tanto menores pérdidas de carga; eliminación de los problemas de oxidación y corrosión; y facilidad de montaje por su ligereza y maleabilidad, con costes del mismo orden que las de acero.


2-21

2.9 Acometidas de la red Las acometidas de la red deberán ejecutarse siempre por la parte superior de la tubería, formando un codo de 180° tal como se observa en la figura anterior, para dificultar al máximo que el agua condensada sea arrastrada por el aire hacia el consumo. La columna de la acometida concluirá en su parte inferior en un purgador que elimine el agua que pudiera condensarse. La salida hacia el consumo no se hará, por tanto, nunca en la parte inferior de la columna, sino en un lateral a una cierta altura.

2.9.1 Equipo de mantenimiento En cada una de las bajantes de las acometidas, y previo a la toma por el equipo neumático que haya de utilizar el aire comprimido, se instala un equipo de mantenimiento (figura 2-5), compuesto por los siguientes elementos: 

Regulador de presión con manómetro.



Filtro y deshumificador.



Lubricador.

FILTRO Y DESHUMIFICADOR

LUBRICADOR

REGULADOR DE PRESIÓN Figura 2-15. Unidad de mantenimiento FRL (Filtro, Regulador, Lubricador). El regulador de presión tiene por objeto adecuarla la presión a la requerida por la máquina, herramienta o equipo que lo vaya a utilizar. En todo caso la presión de llegada ha de ser superior a la requerida, pues el regulador sirve para disminuir la presión pero no para aumentarla. El regulador es capaz de mantener la presión de salida en un valor constante independientemente de la presión variable de llegada.

2-22

Neumática

El deshumificador elimina los últimos vestigios de agua condensada y suciedad con que pueda llegar el aire hasta ese punto, a pesar de las precauciones, casi obsesivas, que se han adoptado en el camino. El lubricador tiene por objeto añadir al aire una pequeña cantidad de aceite limpio en forma de neblina, que facilite el empleo de la herramienta. Es preciso advertir que si en la central compresora se elimina el aceite del compresor es porque está sucio y contamina el aire en vez de darle una propiedad lubricadora.

2.9.2 La válvula de arranque progresivo Se trata de una válvula de uso muy extendido recientemente. Se coloca a continuación de la unidad de mantenimiento y su misión es evitar movimientos incontrolados de los actuadores en la puesta en marcha de la instalación. Después de todo paro de una instalación neumática que haya implicado su purga, es decir la instalación esté sin aire a presión en ninguna de las cámaras de los elementos de trabajo, si el arranque se realiza sin tomar precauciones se pueden producir movimientos bruscos y choques destructivos. Las válvulas de arranque progresivo garantizan un aumento gradual de la presión en la instalación actuando sobre la velocidad de llenado. Así cada uno de los elementos de trabajo retorna a su posición de partida de una forma lenta y controlada.

2.9.3 Enchufes rápidos A la salida del equipo de mantenimiento se realiza, sin otro paso previo, la acometida al equipo neumático correspondiente. Con el fin de darle a la instalación de aire comprimido la mayor facilidad de uso, es muy útil disponer a intervalos y en puntos perfectamente accesibles los denominados enchufes rápidos. Estos enchufes tienen la propiedad de que abren su paso en el momento en que se acopla a ellos la toma, y se cierran cuando se desacopla (figura 2-16).

Figura 2-16. Conexión de aire mediante enchufe rápido.

2.9.4 Mangueras Entre la salida del equipo de mantenimiento y la entrada al equipo neumático normalmente existe una corta distancia, que es usual salvarla mediante mangueras flexibles, que se adaptan a los cambios de dirección y a los posibles movimientos de los equipos.


2-23

Dichas mangueras son de caucho o de plástico con alma de acero o trenzado textil en algunas ocasiones. Se fabrican normalmente con los siguientes diámetros interiores: 6, 8, 10, 13, 16, 19, 25, 32, 38 y 50 mm.

2.10 Mantenimiento de un sistema de aire comprimido Aunque un sistema de aire comprimido puede considerarse como una instalación robusta, capaz de funcionar continuamente, durante largo tiempo, sin grandes problemas, es necesario proporcionarle una serie de atenciones que optimen su marcha. Los puntos en que ha de poner atención el servicio de mantenimiento se pueden dividir en: el compresor, la central compresora y la red de distribución.

2.10.1 Verificaciones a realizar en el compresor Los fabricantes de compresores recomiendan realizar periódicamente una serie de cuidados a las máquinas que ellos venden, siendo recomendable cumplirlas con presteza. Estas atenciones, aunque pueden ser específicas para los diferentes tipos y tamaños de compresores, se pueden concretar en las siguientes: Diaria o semanalmente 

Revisar el aceite y completar los depósitos si fuese necesario. Verificar la presión.



Revisar los filtros de aire y limpiarlos en caso de presencia de suciedad.



Drenar los refrigeradores intermedios en caso de compresores multietapados.



Verificar las válvulas de seguridad.



Revisar el caudal y la temperatura del agua de refrigeración.

Trimestral o semestralmente 

Cambiar el aceite.



Revisar la transmisión.



Revisar y limpiar todas las válvulas.



Apretar pernos de anclaje.

Anualmente 

Revisar holguras entre pistones y cilindros.



Verificar las válvulas, cilindros y engrases.



Comprobar los cojinetes.

2-24

Neumática

2.10.2 Precauciones en el uso de aire comprimido La energía proporcionada por el aire comprimido posee grandes ventajas, de tal manera que es difícil encontrar una actividad industrial que no la utilice. Sin embargo, cabe decir que es una energía en cierta manera costosa que conviene no derrochar. Al ser el aire comprimido un producto limpio, que no perjudica a nada ni a nadie, puede ocurrir que no se tomen las debidas precauciones para aminorar su consumo. Para no caer en tal defecto, es imprescindible eliminar las fugas, pero también no derrocharlo en escapes inútiles y en un uso abusivo en limpiezas y otro tipo de pistolas, que pueden tener un consumo muy elevado. En ocasiones puede ser interesante montar una red en paralelo con la principal con una presión de trabajo inferior a la normal, para atender al servicio de pistolas y otros elementos que requieran o sea suficiente una presión inferior. Si el usuario del aire comprimido toma en consideración las advertencias que se han expuesto, no cabe ninguna duda que podrá disfrutar sin problemas de las grandes cualidades que posee este tipo de energía.

2.11 Cómo se selecciona un compresor En el momento de seleccionar un compresor se han de considerar una serie de factores que dependen en gran medida de la instalación a la que ha de servir. Por tal motivo debe en primer término diseñarse la instalación y una vez conocida ésta suficientemente, se elige el compresor más idóneo. Los factores fundamentales de la instalación a considerar son el caudal de aire necesario y la presión requerida. Otra serie de factores mecánicos y energéticos propios del compresor también tendrán incidencia en el momento de la selección.

2.11.1 Caudal que ha de proporcionar el compresor Evidentemente el compresor ha de ser capaz de proporcionar el caudal suficiente para atender a todos y cada uno de los puntos de consumo, en el momento que lo requieran. Como primera medida es necesario conocer el consumo de cada una de las máquinas y procesos en que se utilice el aire comprimido. Ahora bien, hasta conocer el caudal que ha de facilitar el compresor hay que recorrer un largo camino, ya que es preciso considerar una serie de cuestiones que se concretan y comentan en los próximos párrafos.

CONSUMO ESPECÍFICO DE AIRE COMPRIMIDO Se define como consumo específico de aire comprimido de una máquina (QEsp) al caudal de aire, medido en condiciones normales , que demanda en funcionamiento continuo y a una presión determinada. La mejor manera de conocerlo es a través de su fabricante respectivo. La tabla 2-2 indica los consumos normales de una serie de máquinas funcionando a 7 bar de


2-25

Consumos específicos de aire en equipos neumáticos. Presión absoluta de trabajo 7 bar. Caudal en Nm 3/min Martillos, servicio ligero

0,16

Martillos de cincelar y calafatear ligero

0,28 a 0,73

Martillo remachador

0,22 a 0,89

Prensa-remachador

0,3

Martillo para sacar machos de fundición

0,65 a 0,97

Pisón, moldeo a mano

0,33 a 0,84

Desincrustador (vibrado de machos)

0,2

Taladros

0, 1 95 a 1,69

Atornilladores no reversibles

0, 1 95 a 0,350

Roscadoras hasta 3/8" diámetro.

0,350

Esmeriladora muelas/disco

1,25 a 3,20

Amoladora

0,42 a 1,27

Pulidoras

0,30 a 0,65

Máquina para fresar ranuras 178/235 diám. muela

2,4 a 3,2

Llaves de impacto con árbol

0,30 a 1,80

Fresadoras radiales, fresa 10112 mm diám.

0,30 a 0,40

Fresadoras de ángulo, fresa 12/15 mm diám.

0,30 a 0,40

Llaves de carraca, cabezal cerrado

0,40

Sierras para aluminio, plásticos, hasta 15/40 mm

0,90 a 2,70

Cizallas

0,90 a 2,70

Motores neumáticos 0,45 CV a 1,4 CV

0,50 a 1,20

Bomba neumática

2,26 a 2,40

Elevador neumático, carga en kg 55/454

0,06 a 0,36

Pistola soplante

0,15

Pistoleta de pintar

0,15

Tabla 2-2. Consumos específicos de aire en equipos neumáticos. Si la presión de trabajo fuera diferente de aquella con la que se hubiesen facilitado los consumos el caudal real debe calcularse mediante la siguiente expresión:

Qreal

=

Qf

Preal Pf

donde Qf y Pf son los datos facilitados por el fabricante. Las presiones utilizadas han de ser absolutas. Un consumo a considerar, que suele tener importancia en el conjunto de gastos, es el que se efectúa a través de boquillas y pistolas, siendo su caudal dependiente del diámetro de salida y de la presión de trabajo. La tabla 2-3 proporciona una idea de tales c onsumos. Diámetro mm

Caudal NI/min

Pérdida de energía CV

1

74

0,41

2-26

Neumática

3 5 10

668 1.857 7.428

4,22 11,29 44,90

Tabla 2-3. Consumo de aire en boquillas. (p abs = 7bar)

COEFICIENTES DE CORRECCIÓN DEL CONSUMO En un principio puede parecer que el caudal a proporcionar por el compresor es la suma de los consumos de cada máquina, pero esto no es así, ya que es preciso tener en cuenta una serie de consideraciones que se concretan en unos coeficientes de corrección, multiplicadores de dicha suma. Coeficiente de uso (CU) Se denomina coeficiente de uso (CU) al cociente entre el tiempo en que un equipo neumático está consumiendo aire y el tiempo total de funcionamiento de dicho equipo. También es conveniente conocer este parámetro a través del propio fabricante, aunque puede ser variable, dependiendo incluso del operario que lo utilice. En la tabla 2-4 se facilitan valores de este coeficiente, el cual debe multiplicarse por el consumo específico correspondiente a cada máquina para conocer el caudal medio realmente consumido por la máquina. COEFICIENTE DE USO EN EQUIPOS NEUMÁTICOS Máquinas rectificadoras Máquinas de pulir Taladradoras Terrajadoras Atornilladores Aprietatuercas Mordazas Cinceladores Remachadores Pisones Chorros de arena Boquillas sopladores Pistolas de pintura Cilindros de aire

0,5 0,3 0,4 0,2 0,2 0,2 0,1 0,4 0,1 0,2 0,5 0,1 0,5 0,2

Tabla 2-4. Coeficiente de uso en equipos neumáticos. Coeficiente de simultaneidad (CS) Evidentemente en una planta donde existan una serie de máquinas que utilicen aire comprimido, no todos sus equipos neumáticos funcionarán de manera coincidente, sino que lo harán alternadamente. Por ese motivo la suma de caudales reales consumidos por las máquinas, habrá de multiplicarse por un coeficiente reductor, lógicamente menor que la unidad, denominado coeficiente de simultaneidad (CS).


2-27

Este coeficiente no es fácil de conocer y es muy variable de unas instalaciones a otras; indudablemente un estudio detallado de los procesos en que se utilice el aire comprimido conducirá a obtener el valor más adecuado. Para resolver esta cuestión, en muchas ocasiones difícil de salvar, los manuales proporcionan valores de este coeficiente en función del número de máquinas que emplean aire comprimido, tales como los que figuran en la tabla 2-5.

COEFICIENTE DE SIMULTANEIDAD Según el número de equipos neumáticos nº

Coeficiente

nº

Coeficiente

1

1

25

0,60

5

0,82

30

0,57

10

0,74

40

0,52

15

0,68

50

0,48

20

0,64

Tabla 2-5. Coeficiente de simultaneidad. Coeficientes de mayoración (CMF y CMA) Toda instalación de aire comprimido por muy perfecta que sea sufre eventuales y a veces continuas fugas, que es preciso considerar en el momento de calcular los consumos. Lógicamente el volumen de las mismas depende de la calidad de la instalación y sobre todo de su mantenimiento; por ello el valor del coeficiente de mayoración por fugas (CMF) podrá oscilar bastante. En el momento del cálculo del caudal se puede adoptar un coeficiente que oscile entre 1,05 y 1,1. Por otra parte, una instalación correcta invita a utilizarla cada vez más, ya que un buen servicio favorece el incremento de consumo. Este aumento de necesidades no solamente hay que tenerlo en cuenta dentro de los propios procesos que se piense abastecer, sino también para futuras ampliaciones que se pudieran llevar a cabo con posterioridad. Siempre es difícil hacer previsiones a cierto plazo, pero en este tipo de instalaciones se aconseja, por experiencia, tener en cuenta un coeficiente de mayoración para futuras ampliaciones (CMA). Evidentemente el valor a asignar puede oscilar mucho, dependiendo de muchos factores; en caso de no poderlo determinar de algún modo se suele adoptar un valor que oscila entre 1,25 y 1,50. Coeficiente debido al ciclo de funcionamiento del compresor (C CC) El último coeficiente que hay que tener en cuenta está motivado por el ciclo de funcionamiento del propio compresor. El compresor tiene que proporcionar todo el volumen de aire consumido en la fracción del ciclo de funcionamiento en la que produce aire comprimido. Por tanto, su valor es el cociente entre la duración total del ciclo de funcionamiento y el tiempo en el que el compresor está produciendo aire comprimido. Lógicamente su valor es siempre mayor que uno y

2-28

Neumática

Con todo lo anterior se tiene que el caudal que debe ser capaz de proporcionar el compresor es: n

Q comp. = C S ⋅ CMF ⋅ C MA ⋅ C CC ⋅ ∑ Q Esp. i ⋅ CU i i=1

En este punto hay que subrayar que se ha de poner especial atención en conocer en qué condiciones se encuentran medidos los caudales facilitados por los catálogos. Es frecuente que además de medirse el aire en condiciones normales (1,033 kg/cm 2 y 0°C), se haga en lo que suele denominarse aire libre, es decir, en las condiciones de presión y temperatura del local. Ambos valores pueden en algunos casos ser bastante diferentes. Veamos un caso concreto: Se tiene un compresor que trabaja en un punto a 300 m de altitud y en un ambiente cuya temperatura es de 25ºC que absorbe 10 m 3/min de aire libre, se desea saber qué cantidad de aire en condiciones normales realmente aspira. Se utiliza para su resolución la ecuación PV/T = constante; la presión atmosférica local a 300 m de altura es de 0,996 kg/ cm 2; con lo cual se puede escribir:

0,996 ⋅ 10 1033 , ⋅Q = 273 + 25 273 de donde se deduce que Q es igual a 8,83 N m 3/min. Como puede verse es un 11,7% inferior.

2.11.2 Presión de trabajo Todo compresor dentro de su ciclo de funcionamiento proporciona su caudal a diferentes presiones, dependiendo de las presiones a que esté tarado el presostato del depósito de regulación. A efectos de selección del compresor hay que adoptar la presión máxima. La presión máxima del depósito de regulación es equivalente a la de trabajo de los equipos neumáticos de las máquinas más las pérdidas de carga en la distribución, más las pérdidas en el tratamiento posterior (secador), más la presión diferencial del depósito. La presión usual para usos industriales es del orden de 8 kg/cm 2 absolutos. Se insiste en la importancia que tiene al hablar de presiones conocer si se trata de presiones manométricas o absolutas.

2.11.3 Parámetros energéticos y mecánicos de un compresor En el momento de seleccionar un compresor y sobre todo a efectos comparativos entre distintas soluciones, es conveniente no olvidar una serie de parámetros tanto de gastos energéticos como de características mecánicas que pueden definir la calidad de aquél. Empezando por los factores energéticos que tienen incidencia en el costo de la factura de la energía, es fundamental conocer la potencia absorbida por el compresor, o por el grupo motocompresor.


2-29

Para poder comparar distintas máquinas se suele utilizar la potencia específica absorbida, es decir la potencia que consumen por unidad de caudal proporcionado. Lógicamente este parámetro depende de las características del compresor; los valores de la tabla 2-6 pueden tomarse como orientativos, para una presión de 8 bar absolutos. Compresores de simple efecto, monoetapados, con refrigeración por aire

7,4 kW/Nm 3/ min

Compresores de simple efecto, dos etapas y refrigeración por aire

5 a 5,5 kW/Nm 3/min

Compresores de doble efecto, dos etapas y refrigeración por agua

4,9 a 5,1 kW/Nm 3/min

Tabla 2-6. Potencia específica absorbida. En cuanto a aspectos mecánicos y funcionales del compresor pueden hacerse las siguientes consideraciones: Para presiones de trabajo superiores a 4 bar absolutos y caudales mayores de 500 NI/min es mejor que el compresor tenga dos etapas. Por motivos de mantenimiento es conveniente que el número de cilindros y de válvulas sea reducido; pero como ello va en contra del rendimiento de la máquina, se prefiere reducir aquellos en el caso de compresores pequeños, que hayan de funcionar pocas horas, y si se desea facilitar el mantenimiento. En principio es mejor que el compresor tenga un número de ciclos más bien reducido, para minorar el número de aperturas y cierres de las válvulas; además es conveniente que la velocidad de los pistones sea pequeña para reducir el desgaste en cilindros, vástagos, segmentos y empaquetadura. En cuanto al sistema de refrigeración es conveniente que sea con agua en el caso de grandes compresores o que vayan a funcionar un gran número de horas por día. En los demás casos puede ser suficiente la refrigeración por aire. El sistema de engrase a presión es más conveniente que por barboteo, pero este último es apto para compresores de tamaño pequeño y medio. El sistema de arrastre mejor es el directo, pues evita vibraciones y tiene un rendimiento mayor, pero los otros sistemas pueden emplearse en un buen número de compresores de tamaños menores. En el momento de adquirir un compresor no hay que olvidar nunca unos aspectos que pudiéramos llamar comerciales como son la facilidad de conseguir repuestos, el período de garantía, el servicio posventa y el prestigio de la empresa fabricante. Todos los factores anteriores junto con el grado de utilización que va a tener el compresor, el tipo de servicio que vaya a prestar y evidentemente su costo, convenientemente ponderados, conducirán a elegir un buen compresor para cada caso.

2-30

Neumática

2.12 Cálculo del volumen del depósito de regulación El volumen del depósito de regulación depende de tres factores: 

Caudal proporcionado por el compresor.



Duración de cada fase del ciclo de su funcionamiento.



Presión diferencial del presostato.

El caudal facilitado por el compresor ha sido calculado con anterioridad a partir de los consumos y de una serie de coeficientes multiplicadores. La capacidad del depósito de regulación depende evidentemente de la duración relativa de las dos fases en que se divide el funcionamiento discontinuo del compresor, ya que la finalidad de aquel es precisamente facilitar los consumos existentes durante el tiempo en que éste no proporciona caudal. El número de ciclos de funcionamiento no debe ser superior a 20 por hora cuando se para el compresor para que no proporcione caudal, pudiendo ascender a 60 en el caso de que el compresor se ponga en vacío para el mismo objetivo. Normalmente se supone que en cada ciclo el compresor proporciona caudal durante el 40 al 60% de su duración total. Si el tiempo en que el compresor facilita caudal es alto, podrá ser menor su potencia pero será mayor el volumen del depósito, y a la inversa. La diferencia de presiones entre los niveles superior e inferior condiciona de manera importante el volumen del depósito pero también las características del compresor. Si se adopta una presión diferencial alta, el volumen del depósito disminuirá, pero obligará al compresor a proporcionar una presión superior, y viceversa. La presión mínima en el depósito ha de ser igual a la presión de trabajo en los equipos neumáticos más las pérdidas de carga en los elementos situados entre ambos, es decir, el secador, el tratamiento final del aire y la red de distribución. Este valor puede oscilar entre 0,2 bar para las grandes instalaciones y 0,4 bar para las de menor tamaño. La presión mínima más la presión diferencial, es decir la presión máxima, más la pérdida de carga entre compresor y depósito, es la que ha de proporcionar el compresor, para la cual debe ser seleccionado. Es usual adoptar una presión diferencial comprendida entre 0,4 y 0,8 kg/cm 2. Teniendo en cuenta los factores señalados, el volumen total de almacenamiento entre el depósito y las tuberías de distribución viene facilitado por la expresión:

V=

Qn ⋅ t ⋅p ∆p min

donde Qn es el caudal medio de consumo de la instalación (Q n = QComp. / CCC) en condiciones normales, en Nl/min, t es el tiempo de cada ciclo en que el compresor no facilita caudal, en min, ∆p la presión diferencial en bares o kg/cm 2, pmin es la presión a la que se vuelve a poner en funcionamiento el compresor y V es el volumen total en litros normales. Realmente el aire se


2-31

encuentra en el depósito a una presión entre p min y pmáx y a una temperatura cercana a la temperatura ambiente, por lo que el volumen obtenido con la fórmula anterior debe recalcularse en las condiciones reales para obtener el volumen real que tiene que tener el depósito.

2.13 Cálculo de una red de distribución El objetivo del cálculo de una red es la atribución del diámetro de las tuberías de cada uno de los tramos de que está constituida. El flujo de aire dentro de las tuberías produce una pérdida de carga que se concreta en una disminución de la presión del aire. Si las tuberías se dimensionaran con amplitud, es decir, con grandes diámetros, el costo de ellas sería elevado, pero la caída de presión reducida y menores, por consiguiente, los costos de energía durante su funcionamiento, o al revés, tuberías de pequeños diámetros serán más económicas pero ocasionarán una factura energética superior. Luego estamos en un problema de optimización económica, que en cada caso tendrá un resultado diferente. Determinados estudios aconsejan que la pérdida de carga producida entre la salida de la central compresora y el punto más alejado debe estar comprendida entre 0,1 y 0,3 bar. El valor más pequeño corresponde a instalaciones importantes con muchas horas de funcionamiento, y el más elevado a aquellas de menor entidad, con un coeficiente de utilización reducido. La adopción de este parámetro es uno de los puntos que usualmente se toma como de partida para la realización de los cálculos. Desde otro punto de vista la elaboración de los cálculos requiere una serie de datos y el establecimiento de otras hipótesis básicas. Los datos necesarios son el trazado de las líneas, el posicionamiento de los equipos que utilizan el aire comprimido y sus consumos respectivos.

2.13.1 Hipótesis de funcionamiento Teniendo en cuenta que el funcionamiento de la red de distribución es cambiante con el tiempo, ya que en ciertos momentos trabajan unas máquinas y en otros instantes lo hacen otras, es preciso establecer una hipótesis de trabajo de los distintos equipos neumáticos que resulte suficientemente representativa a efectos de cálculo. Una hipótesis que se puede adoptar es la de suponer las máquinas y equipos que trabajarían y las que estarían paradas, tomando en consideración el proceso de trabajo. El consumo de cada máquina en funcionamiento habrá de multiplicarse por los coeficientes de mayoración por fugas (CMF) y por ampliaciones (CMA) para tener en cuenta tales cuestiones. La suma de consumos de tales elementos habrá de ser aproximadamente igual al caudal medio de consumo de la instalación (Qn) que ya se ha utilizado en el dimensionamiento del depósito de regulación. Otra hipótesis que puede adoptarse es la de suponer en funcionamiento todas las acometidas previstas y considerar que el consumo en cada una es:

2-32

Neumática

Qi

= Q Esp. i ⋅ C U i ⋅ C S ⋅ C MF ⋅ C MA

En este caso la suma de los consumos coincide exactamente con el caudal medio de consumo de la instalación.

2.13.2 Cálculo de caudales circulantes Establecida la hipótesis de funcionamiento se han de calcular los caudales circulantes por cada uno de los tramos de la conducción; se define como tramo al elemento de tubería comprendido entre dos acometidas consecutivas. El cálculo exacto de dichos caudales puede ser muy complejo. Por ello normalmente se realiza una aproximación suponiendo que la red es abierta, para lo cual se hacen un número de cortes imaginarios equivalente al número de circuitos cerrados, de tal manera que la red mallada se convierte en ramificada. Los cortes deben suponerse en puntos lo más alejados posible de la central compresora. A continuación empezando por los tramos situados más aguas abajo, se van calculando los caudales circulantes por cada tramo, teniendo en cuenta la condición de que en cada nudo, la suma de caudales entrantes es igual a la de salientes.

2.13.3 Predimensionamiento de diámetros Una vez conocidos los caudales circulantes de la instalación, las tuberías que la componen pueden predimensionarse tomando como criterio la velocidad del flujo. Las velocidades recomendables dependen de la importancia del tramo, pudiendo tomarse los valores siguientes: 

Líneas principales

6 a 10 m/s



Líneas secundarias

10 a 15 m/s



Acometidas

15 a 20 m/s



Mangueras

20 a 25 m/s

Los valores superiores se adoptarán en instalaciones pequeñas y los inferiores en instalaciones grandes.

El dimensionamiento de las tuberías se debe hacer tomando los caudales en condiciones de presión, habiendo de elegir diámetros comerciales, por defecto o por exceso. Además es conveniente unificarlos de tal manera que en una instalación no existan demasiados diámetros diferentes, ya que conllevaría mayores dificultades en el montaje y en el mantenimiento. En el caso de que interesara realizar un cálculo rápido, el proceso terminaría aquí. Con el fin de facilitar aún más los cálculos se acompaña un cuadro en el que se señalan las capacidades normales de cada tubería comercial, en los diferentes tipos de líneas, teniendo en cuenta las velocidades recomendadas más arriba.


DIÁMETRO NOMINAL PULGADAS 1/2 314 1 1 1/4 1 1/2 2 3 4

2-33

LÍNEA PRINCIPAL

LÍNEA SECUNDARIA

Nl/min

Nl/min

1.600 -2.650 2.800 -4.650 3.750 -6.200 6.050 -10.050 14.100 - 23.500 24.150 - 40.250

900 - 1.350 1.605 - 2.500 2.650 -4.000 4.650 -6.700 6.200 -9.300 10.050 -15.100 23.500 - 36.250 40.250 - 60.350

ACOMETIDA HASTA Nl/min 1.800 3.300 5.200 9.300 12.400

NOTA: Si la presión de trabajo es diferente de la indicada, los valores anteriores habrán de multiplicarse por la presión absoluta en bar dividido por 8.

Tabla 2-7. Capacidades de aire comprimido en tuberías comerciales de acero. Presión absoluta de trabajo: 8 bar Los caudales admisibles en las mangueras según su diámetro son los siguientes: DIÁMETRO INTERIOR

NOTA:

CAPACIDAD

mm

NI/m

6

275-350

8

500-625

10

775-975

13

1.325-1.650

16

2.000-2.500

19

2.800-3.500

25

4.850-6.100

32

8.000-10.000

38

11.250-14.000

50

19.500-24.300

Si la presión absoluta de trabajo es diferente de la indicada los valores

anteriores habrán de multiplicarse por la presión absoluta en bar dividido por 8.

Tabla 2-8. Capacidades de mangueras. Presión absoluta de trabajo: 8 bar

2.13.4 Cálculo de pérdidas de carga Conocidos los caudales circulantes y todas las características de las tuberías, llega el momento de comprobar si las pérdidas de carga son las adecuadas. La pérdida de carga en una conducción depende de su longitud, diámetro y rugosidad de la tubería, así como del caudal fluyente y en el caso de gases de la presión de trabajo. En ocasiones en que se desee realizar un cálculo rápido se pueden considerar las piezas especiales sin más que mayorar las longitudes geométricas de las tuberías en un 25%. Conocidas las pérdidas en cada tramo y teniendo en cuenta que en las tuberías en serie son acumulativas, se pueden calcular las pérdidas de carga totales entre la central compresora y cada uno de los extremos.

2-34

Neumática

Si estas pérdidas son adecuadas el problema estará terminado; sin embargo si han resultado excesivas habrá que mayorar algún diámetro, sobre todo en aquellos tramos en que la pérdida hubiera resultado fuerte. Si las pérdidas hubiesen resultado demasiado bajas se disminuirá alguno de los diámetros. En la tabla 2-9 se acompaña un cuadro de longitudes equivalentes de diferentes piezas especiales según sus diámetros. DIÁMETRO INTERIOR mm 9

12

14

18

23

40

50

80

100

Válvula esférica

0,2

0,2

0,2

0,3

0,3

0,5

0,6

1

1,3

Codo

0,6

0,7

1

1,3

1,5

2,5

3,5

4,5

6,5

Pieza en T

0,7

0,85

1

1,5

2

3

4

7

10

Reductor 2d a d

0,3

0,4

0,45

0,5

0,6

0,9

1

2

2,5

Tabla 2-9. Longitudes equivalentes en piezas especiales en metros.1 Para conocer la pérdida de carga en una conducción, aquí nos vamos a limitar a presentar un ábaco que permite obtener los resultados con relativa facilidad (figura 2-17). Para calcular la pérdida de carga se entra por el valor P correspondiente a la presión absoluta de trabajo, Q que indica el caudal de aire en condiciones normales, D que corresponde al diámetro de la tubería y L que indica la longitud de la tubería. Se unen los valores L y Q hasta cortar en M. Uniendo M con el valor de D se llega a N. La unión de N y P al cortar con la escala de pérdidas de carga facilita su valor.

11

(Hesse, Aire comprimido fuente de energía. Preparación y distribución. FESTO 2002).


2-35

Figura 2-17. Ábaco para el cálculo de pérdidas de carga De todas formas es conveniente advertir que en el dimensionamiento de las tuberías conviene hacerlo con amplitud, pues normalmente las ventajas que conlleva son superiores a los incrementos de los costos. No se aconsejan diámetros inferiores a una pulgada. Se acompaña un organigrama para verificar ordenadamente el proceso de cálculo que se ha explicado (figura 2-18).

2-36

Neumática

DATOS

HIPÓTESIS

TRAZADO DE LA RED CÁLCULO DE CONSUMOS

SUPOSICIÓN DE FUNCIONAMIENTO

CÁLCULO

SUPOSICIÓN DE CORTES

CÁLCULO DE CAUDALES CIRCULANTES

ADOPCIÓN DE VELOCIDADES

PREDIMENSIONAMIENTO DE DIÁMETROS CÁLCULO DE PERDIDAS DE CARGA EN CADA C LCULO DE SUMA DE PERDIDAS DE CARGA EN CADA FIN DE LINEA

SUMAS DE PERDIDAS DE CARGA

NO

CORRECTAS

SI FIN

Figura 2-18. Organigrama de cálculo de una red de distribución

2.13.5 Otro procedimiento para predimensionar las tuberías Otro procedimiento para realizar los cálculos, menos exacto pero más rápido, tiene como fundamento suponer las pérdidas de carga homogéneas en toda la red, es decir, hacerla proporcional a la longitud del tramo considerado. En tal caso, se establece una regla de tres, por una parte, entre la longitud total geométrica más equivalente - del camino más largo seguido por el aire y la pérdida de carga total (0,1 a 0,3 kg/cm2), y por otra la longitud total de cada tramo y su pérdida de carga respectiva. Se entra en el ábaco por la escala de pérdidas de carga, al unirla con P, se encontrará el punto N; trazando ahora la línea NM se obtendrá el punto D y por tanto el diámetro de la tubería correspondiente. Insistimos en que al haber en el mercado tan sólo una serie de diámetros de tuberías, será preciso escogerlos por defecto o por exceso, teniendo en cuenta la deseada uniformidad de diámetros en la red. Por último, si se desea se pueden comprobar las pérdidas de carga reales tal como se ha explicado anteriormente, para cerciorarse de que los valores máximos resultantes son correctos, modificando el diámetro de algún tramo si así no fuera.


2-37

2.14 Compresores alternativos Conocidos los diferentes tipos de compresores existentes así como sus variables funcionales básicas, se dedica este capítulo a estudiar de una manera más detallada los compresores alternativos de pistón que son los de más frecuente utilización dadas sus ventajosas características.

2.14.1 Ciclo de trabajo de un compresor alternativo Como se ha señalado más arriba el funcionamiento de un compresor alternativo es cíclico, estando dividido cada ciclo en las siguientes fases: 

Expansión



Aspiración



Compresión



Descarga

Cada ciclo comienza en el instante en que el vástago o la biela que arrastra el pistón, habiendo penetrado totalmente en el cilindro, cambia de sentido y empieza a salir del mismo. La posición del pistón en tal situación se denomina punto muerto superior (punto 1 en el diagrama presión-volumen) (figura 2-19).

p Presión de salida

1

Presión de entrada

4

3

2

V

Carrera Pto. Muerto superior

Pto. Muerto inferior

1-2 Expansión

2-3 Aspiración

3-4 Compresión

4-1 Descarga

Figura 2-19. Diagrama presión - volumen. Esquema de funcionamiento de un cilindro.

2-38

Neumática

A partir de este momento el aire residual existente en el cilindro aumenta su volumen, y disminuye su presión por debajo de la presión exterior. Esta fase de expansión se representa en el diagrama por el trazo (1-2). En una determinada posición del recorrido del pistón, cuando la diferencia de presiones entre el exterior e interior del cilindro es suficiente para abrir la válvula de admisión, comienza a penetrar el aire del exterior, siguiendo así hasta que el vástago o biela sale totalmente del cilindro y el pistón ocupa su otra posición extrema, denominada punto muerto inferior (3). Esta fase de

aspiración se representa por el trazo (2-3). A continuación la marcha del pistón vuelve a cambiar de sentido, comenzando la reducción de volumen y por tanto la fase de compresión. (Trazo 3-4 en el diagrama). Cuando la presión del aire en el cilindro alcanza un determinado valor, necesario para contrarrestar la presión existente tras la válvula de impulsión, se abre ésta y comienza la descarga del aire ya comprimido. La fase de descarga, representada por el trazo (4-1), y el ciclo concluyen en el instante en que el pistón alcanza otra vez el punto muerto superior y comienza un nuevo ciclo. La superficie rayada del diagrama presión-volumen representa la potencia que absorbe el compresor para producir el incremento de presión del aire.

2.14.2 Compresores de simple y de doble efecto Los compresores alternativos, tal como se han explicado hasta el momento, solo proporcionan aire comprimido cuando el pistón se desplaza en un sentido, siendo útil solamente una de las caras de éste; en tal caso se dice que el compresor es de simple efecto. Dicho inconveniente puede resolverse con los compresores de doble efecto que disponen de otro juego de válvulas en el otro lado del pistón, verificándose la expansión y la aspiración en un lado de aquel, mientras en el otro se produce la compresión y el escape, y a la inversa (figura 220). Escape

Admisión

Figura 2-20. Esquema de un compresor de doble efecto. Lógicamente los compresores de doble efecto casi duplican el caudal proporcionado con


2-39

complejidad, elevándose los costes de fabricación. Por estos motivos se utilizan los primeros cuando se requieren altas prestaciones de caudal y presión, no mereciendo la pena duplicar las válvulas en los compresores de pequeña potencia.

2.14.3 Desplazamiento. Volumen efectivo. Rendimiento volumétrico Se denomina desplazamiento o cilindrada, al volumen barrido por el pistón, es decir, la sección transversal del cilindro por el recorrido de aquel. El desplazamiento multiplicado por el número de ciclos por unidad de tiempo se llama a veces, impropiamente, volumen engendrado. El volumen de aire proporcionado por el compresor por unidad de tiempo, medido en condiciones de presión y temperatura de la aspiración, recibe en ocasiones el nombre incorrecto de volumen efectivo. Indudablemente los dos volúmenes mencionados no son tales, ya que se trata de caudales. Debido a la existencia de una serie de fugas hacia el exterior y de retornos de aire a través de las válvulas, el volumen efectivo es sensiblemente inferior al engendrado. El cociente η v

=

Volumen efectivo Volumen engendrado

se denomina rendimiento volumétrico del compresor. El volumen existente entre el pistón en su punto muerto superior y las válvulas recibe el nombre de espacio muerto o perjudicial. Por otra parte, la relación entre la presión de descarga y la de aspiración, medidas en presiones absolutas, se llama relación de compresión. Cuanto mayor es el valor de esta relación menor es el rendimiento volumétrico, por lo que para conseguir presiones de trabajo elevadas de una forma eficiente es necesario realizar la compresión en varias etapas.

2.14.4 Compresión por etapas La elevación total de la presión del aire en un compresor puede llevarse a cabo de una sola vez, en un único cilindro, o bien hacerlo en dos o más escalones. En este caso el compresor dispondrá de tantos cilindros como etapas y el aire pasará por presiones intermedias, si bien un compresor puede utilizar dos o más cilindros para la compresión de una etapa (figura 2-21).

2-40

Neumática

Figura 2-21. Esquema de un compresor de dos etapas. La ventaja que este tipo de compresores reporta es el aprovechamiento de los escalones intermedios para refrigerar el aire, consiguiendo de esta manera aminorar la potencia absorbida. Por otra parte, debido a que la presión media de los cilindros se minora, disminuyen las fugas y aumenta el rendimiento volumétrico. Desde otro punto de vista, gracias a la limitación de la temperatura del aire que se consigue en el interior de este tipo de compresores, se obtiene una mayor seguridad de marcha, un mantenimiento más fácil y una prolongación de la vida de la máquina. Por contra, el compresor resulta más costoso pues requiere un mayor número de cilindros y por tanto de válvulas, así como los sistemas de refrigeración intermedios. Dado lo anterior, en principio, se utilizan compresores monoetapados para potencias de hasta 7,5 kW (10 CV), para caudales reducidos, relaciones de compresión moderadas y en aquellos casos en que su grado de utilización no sea excesivo.

2.14.5 Elementos fundamentales de un compresor alternativo Un compresor alternativo puede dividirse esquemáticamente en cuatro partes: 

Sistema de compresión



Sistema de arrastre



Sistema de refrigeración



Sistema de engrase

SISTEMA DE COMPRESIÓN El sistema de compresión es la parte fundamental de la máquina pues es donde se produce el aire comprimido; está formado básicamente por:


2-41



Cilindros con sus fondos



Pistones



Vástagos o bielas



Válvulas



Segmentos



Empaquetadura

Las válvulas son el punto más delicado del compresor pues además de que el rendimiento de éste depende en gran medida de su apertura y cierre adecuados, son las piezas que exigen un mantenimiento más cuidadoso. Los segmentos son las juntas existentes entre el pistón y el cilindro, que impiden la comunicación entre las dos caras de aquel. La empaquetadura es el sellado dispuesto entre el vástago y el fondo del cilindro, en el punto donde aquel penetra en el cilindro.

SISTEMA DE ARRASTRE El sistema de arrastre comprende todos aquellos elementos mecánicos que tienen por objeto transmitir el movimiento del motor al vástago o biela. Dado que generalmente el motor de arrastre es eléctrico y por tanto rotativo, se utiliza el sistema de biela manivela mediante el uso de un cigüeñal. El sistema de transmisión entre motor y compresor puede ser: 

Directo:

Montados sobre el mismo eje.



Indirecto: Por correas o por engranajes.

El sistema directo tiene la ventaja de tener un rendimiento prácticamente del 100%, pero el inconveniente de que el compresor ha de girar a las mismas revoluciones del motor, pudiendo resultar en bastantes ocasiones excesivas. Dentro de los sistemas indirectos el de engranajes tiene un rendimiento superior (99%) pero es más costoso y su funcionamiento más delicado. El sistema de correas tiene un rendimiento inferior (97%) pero es muy versátil y menos oneroso que aquel.

SISTEMA DE REFRIGERACIÓN Como consecuencia del incremento de la presión del aire en la compresión se produce inexorablemente una fuerte elevación de su temperatura. Por dicho motivo todo compresor precisa un sistema de refrigeración que mantenga la temperatura de sus mecanismos por debajo de un límite tolerable y disminuya la temperatura de escape del aire. Los sistemas de refrigeración utilizados en los compresores alternativos son: 

Refrigeración por agua

2-42

Neumática



Refrigeración por aire



Refrigeración mixta

Indudablemente el elevado calor específico del agua, así como su buen coeficiente de convección en la proximidad de una pared, convierten la refrigeración por agua en el sistema ideal, siendo el empleado en el caso de compresores de grandes prestaciones. La refrigeración por aire se utiliza, dado su menor costo, en compresores que proporcionan caudales menores con relaciones de compresión moderadas. La refrigeración mixta, es decir la que emplea al mismo tiempo ambos medios, utiliza el aire para refrigerar los cilindros, reservando el agua para cumplir su objetivo entre etapas y en la descarga. La refrigeración por agua se consigue rodeando los cilindros con camisas por los que circule el agua fría, y mediante un intercambiador de calor multitubular para disminuir la temperatura del aire entre etapas y en la descarga. La refrigeración por aire se efectúa disponiendo en los cilindros aletas que aumenten la superficie de contacto con el aire exterior. Este proceso puede realizarse mediante convección natural en compresores de muy pequeña potencia y de manera forzada en máquinas de reducidas y medias prestaciones. Concretando valores, se recomiendan las alternativas y campos de aplicación siguientes: Compresores de simple efecto, monoetapados y refrigeración por aire: Hasta una capacidad de 1 Nm3/min y 8 bar y hasta una capacidad de 15 Nm3/min y 3 bar. Compresores de simple efecto, dos etapas de compresión y refrigeración por aire: Desde 1 Nm3/min a 10 Nm3/min y hasta 15 bar. Compresores de doble efecto, una etapa de compresión y refrigeración por agua: Desde 15 Nm3/min a 200 Nm3/min y hasta 4 bar. Compresores de doble efecto, dos etapas de compresión y refrigeración por agua: Desde 10 Nm3/min a 100 Nm3/min y hasta 10 bar. Compresores de simple o doble efecto, varias etapas refrigerados por aire o agua: Hasta 100 bar.

SISTEMA DE ENGRASE Dentro de los elementos, que quizás impropiamente hemos clasificado como accesorios, ya que juegan un papel fundamental, se encuentra el sistema de engrase del compresor. El engrase es prácticamente imprescindible para minorar las pérdidas mecánicas y disminuir los desgastes en el desplazamiento de los pistones, vástagos y bielas, así como en los elementos de transmisión.


2-43

En lo que se refiere a los elementos de compresión, el engrase puede realizarse a presión o por barboteo, siendo utilizado el primer tipo en los compresores más importantes dada su mayor fiabilidad. En todo caso el aceite debe ser mineral. Al cumplir su objetivo el aceite se calienta, se disgrega, formando pequeñas gotas que pasan al aire, contaminándolo, lo cual requerirá un tratamiento posterior para eliminarlo. En determinadas ocasiones en que el aire comprimido es utilizado en procesos que exigen una ausencia total de aceite, los compresores carecen de engrase en el interior de los cilindros, lo cual requiere emplear materiales especiales en su fabricación, fundamentalmente en segmentos y empaquetaduras.

COMPONE NTES NE UMATICOS Objetivo: Al finaliza el alumno debe ser capaz de leer y hacer pequeños diseños y modificaciones a diagramas neumáticos. NEUMATICA: La palabra neumática proviene del griego "pnuma" que significa soplo, actualmente se conoce como una parte de la mecánica que estudia el comportamiento de los gases sometidos a presión.

Ventajas:

Desventajas

Ø

Ø

Disponibilidad: El aire se encuentra en cualquier sitio. Ø Transporte: Las tuberías facilitan el transporte del aire a largas distancias. Ø Almacenamiento: El aire comprimido se puede almacenar en tanques de forma fácil en contenedores y tanques. Ø Seguridad: El aire comprimido no posee peligro de explosión. Ø Limpieza: El aire comprimido no lubricado no contamina el medio ambiente. Ø Velocidad: Los elementos neumáticos son rápidos y poseen elevadas velocidades de conmutación elevadas.

Ø

Ø

Ø

Acondicionamiento: El aire comprimido debe ser acondicionado para evitar daños en el sistema. Compresión: el arre comprimido no permite obtener bajas velocidades con movimiento continuo. Fuerza: los sistemas de aire comprimido oscilan entre una presión de trabajo de 6 y 7 bar. Escape de aire: el reutilizar el aire es costoso por la necesidad de instalar nueva tubería por lo que es común la existencia de escapes de aire la mayor parte de las válvulas. El ruido provocado por dicho escape es una de las características clásicas de la neumática

La generación de aire comprimido se hace utilizando compresores, el tipo de compresores más comunes son los siguientes, de acuerdo a una clasificación que descansa en su estructura básica. TIPOS DE COMPRESORES:

 Piston Embolo  Diafragma Tornillo helicoidal  Rotativo Roots  Multicelul ar  Radial

Turbo Compresor 

Axial

1

Los dispositivos que almacenan aire comprimido deben tener las siguientes características:

Ø Ø Ø Ø Ø Ø

Válvula licitadora de presión. Termómetro Manómetro Válvula de cierre Compuerta Grifo de purga.

Además para cumplir con los estatutos de las leyes mexicanas deben estar registrados ante la secretaria de trabajo y previsión social.

Los sistemas neumáticos son caros, pero tienen a la ventaja de requerir un mínimo de mantenimiento y ser totalmente a seguros contra chispa. A continuación se muestra una leve comparación entre un sistema de control neumático y un eléctrico.

Dispositivo

Neumático

Eléctrico

Unidad de mantenimiento (fuente de alimentación)

$750

$300

Botón (Válvula de rodillo)

$450 $450

$100 $100

Memoria

$700

$200

Finales de carrera

$700

$150

Total

$2750

$850

Como se puede ver el costo de implementar un sistema de control neumático puede ser mas de tres veces mas elevado que hacer el control de forma eléctrica, sin embargo como se menciono antes el hecho de ser un sistema seguro con cero chispa suele no tener precio para ambientes con algo grado de explosividad.

A continuación se muestra un circuito típico, esto es un pistón de doble efecto controlado por una electrovalvula 5 vías 2 posiciones su pilotaje1 de salida es activado por un pulsador, mientras que su botón de reinicio es de rodillo, el que la válvula tenga doble pilotaje significa que se quedara en cierta posición cuando se quite el impulso que ocasiono el cambio siempre y cuando no exista una señal de retorno en el pilotaje opuesto.

1

Pilotaje: Mando de acción neumático, utiliza la presión de control y la presión de alimentación para mover válvulas grandes, funcionando en cierta forma como amplificador de presión.

2

1.0

A

B

1.1

X

Y

R

1.3

S

1.2

A

R

A

R

1.6

A

R

1.8

1.10

A

A

0.1 R

∆ Clasificación

R

de válvulas

Las válvulas neumáticas suelen agruparse dependiendo de las características con que fueron elaboradas, algunas de estas condiciones - característica son: Ø

Número de posiciones: se identifica por el número de cuadros o rectángulos de los que esta formada la válvula.

Una posición Dos posiciones Tres posiciones

Ø

Número de vías, es el numero de orificios que la válvula presenta físicamente.

Dos vías

3

Tres vías

∆ Si mbología A continuación se muestra la simbología de los sistemas neumáticos, según la norma DIN 24300: Válvula 2 vías 2 posiciones normalmente cerrada Válvula 2 vías 2 posiciones normalmente abierta Válvula 3 vías 2 posiciones normalmente cerrada Válvula 3 vías 2 posiciones normalmente abierta Válvula 3 vías 3 posiciones con centro bloqueado Válvula 4 vías 2 posiciones Válvula 4 vías 3 posiciones con centro bloqueado Válvula 4 vías 3 posiciones con centro de conductos de trabajo a escape Válvula 5 vías 2 posiciones Válvula 5 vías 3 posiciones con centro bloqueado Válvula 5 vías 3 posiciones con centro de conductos de trabajo a escape A B

< P

Distribuidor

R

Antirretorno sin muelle Antirretorno con muelle

Antirretorno piloteada por aire A X

Y

Válvula selectora

4

P

Licitadora de presión

P

A

Distribuidor de secuencia P

A

Regulador

P R

A

Regulador con escape de presión

Estrangulación de control de flujo no regulable

Estrangulación de control de flujo regulable

Pistón simple efecto

Pistón doble efecto

5

∆ Circuito básico. El siguiente ejemplo ilustra el uso de una válvula de 5 vías 2 posiciones para controlar el movimiento de un pistón de doble efecto, en su estado de reposo (figura 1) la presión del aire fluye a través de P hacia B para hacer que el pistón se mantenga dentro. 1.0

A

R

B

P

1.1

S

Figura 1

Cuando se presiona el accionamiento de la izquierda, la válvula cambia de posición obligando a que el aire circule ahora de P hacia A obligando al pistón ha salir, cuando se suelta el accionamiento de avance (izquierdo y se presiona el de retroceso (derecho) el pistón regresa a su posición inicial. (figura 2)

1.0

A

R

P

1.0

1.1

B

A

S

R

B

P

1.1

S

Figura 2

Ahora observemos un pistón de simple efecto, para realiza el control de la manera más sencilla se usa una válvula 3 vías 2 posiciones, con retorno por muelle. En su posición de reposo el pistón se encuentra retraído, cuando la válvula es accionada, el pistón sale pero regresa de forma inmediata cuando la fuerza que mueve la válvula desaparece (figura 3).

A

P

R

A

P

A

R

P

Figura 3

6

R

∆ Regulación

de velocidad

Muchas aplicaciones requieren que se utilice una velocidad menor para evitar un desplazamiento brusco, esto se logra agregando reguladores de flujo a las líneas de escape del pistón, es importante recalcar que la estrangulación debe hacerse en las líneas de escape, pues de lo contrario se pedrera fuerza y se obtendrá un movimiento oscilante. Como se desea que este movimiento retardado, se ejecute en un solo sentido, por lo que se utilizan reguladores unidireccionales, esto significa que existirá solo estrangulación en un sentido, cuando el escape sea reducido. Si se desea restringir la velocidad tanto de regreso como de salida, deben ponerse en ambos lados del pistón, esto asegurar que el pistón posea regulación de entrada y salida. 1.0

A

R

B

P

1.0

1.1

A

S

R

B

P

1.1

S

Figura 4

1.0

A

B

P

En el caso de dos reguladores no se puede asegurar y seguramente será muy difícil calibrarlo para que la velocidad e avance y retroceso sea la misma. Por lo que se puede usar un solo regulador como se muestra en la figura 5. Se menciono la importancia de no poner los reguladores de flujo en el sentido de flujo del aire para trabajo, es decir restringir el flujo de escape y dejar libre la presión y flujo de trabajo, en la figura 6 se muestra un ejemplo erróneo de restricción de flujo. Ponga especial atención en el sentido de los reguladores, pues estos son los indicadores del sentido correcto de colocación.

1.1

R

1.0

A

B

1.1

Figura 5 R

P

S

Figura 6

∆ E jemplos de automatismos

E jemplo 1: Se desea automatizar una prensa industrial con el uso de un pistón neumático de doble La automatización de dispositivo sencillo, consta de tres incisos: A) El avance debe ser por un botón pulsador que debe mantenerse sostenido hasta que la prensa termina su trabajo, el retroceso de la válvula es por muelle.

7

A

B

X

P

A

P

S

S

Ejemplo 1-A B) Se presiona el botón de avance pero no es necesario sostenerlo, el retroceso se hace por un pedal.

A

B Y

X

P

S

P

A

A

S

P

S

Ejemplo 1-B C) Se presiona el botón de avance pero no es necesario sostenerlo, el retroceso se hace por un interruptor de final de carrera.

1

A

B Y

X

A

P

P

S

S

1

A

P

S

Ejemplo 1-C

D) Se presiona el botón de avance pero no es necesario sostenerlo, el retroceso se hace por un interruptor de final de carrera, pero puede hacerse retroceder a través de un pulsador de emergencia.

8

Carpeta Oleohidraulica y Neumatica

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