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AUTOM~lltACION
NEUMATICA EN LA-INDUSTRIA
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AUTOMATIZACION NEUMATICA EN LA INDUSTRIA
POR: JORGE DANIEL BRONZINI
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INSTITUTO TECNICO DE CAPACITACION Y ASESORIA
INTECA
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PROLOGO
Este libro ha sido diseñado con el objeto de mostrar, en forma general, la técnica neumática y las posibilidades que ésta brinda para automatizar la industria. En él se desarrollan todos los temas que tienen relación con la aplicación práctica de esta técnica, en la forma más simple que se ha encontrado. La mecánica de ordenamiento de estos temas responde al progreso que realiza el aire en el sistema. Naturalmente, se ha incorporado como introducción un compendio de los conceptos físicos necesarios para comprender con claridad los fenómenos que aparecen más adelante. Se han acompañado las explicaciones con ilustraciones expresamente diseñadas y especialmente seleccionadas para ofrecer la mayor claridad de comprensión. Este trabajo es el resultado de largo tiempo de maduración, de muchas horas frente a alumnos, de consultas y correcciones reiteradas, de apoyos incondicionales en una larga experiencia en este campo. De hecho constituye de por sí un manual de consulta aunque también es la base para el curso homónimo.
El autor
3
CAPITULO~
1) INTRODUCCION OBJETIVO DIDACTICO: Que el !ector conozca y comprenda el origen y los principios físicos que se aplican al aire comprimido.
1.1) REFERENCIAS HISTORICAS En la antigüedad los Griegos fueron cautivados, en su búsqueda de la verdad, por C\.;atro ··elementos" que se presentaban con relativa continuidad y abundancia, éstos eran: el agua, el aire, el fuego y la tierra.n Uno en particular, el aire, parecía por su naturaleza volátil y presencia transparente, la más fina expresión de la materia, que en otras "densidades" o "estados" constituía, además, los otros "elementos-. Era casi el alma. En Griego la palabra PNEUMA significa "alma" y en consecuencia la técnica que utiliza el aire como vehículo para transmitir energía se llamó PNEUMATICA. A partir de allí el aire se usó de muy variadas maneras, en algunos casos, tal como se presenta en la naturaleza, o sea, en movimiento. La navegación a vela fué quizás la más antigua forma de aprovechamiento de la energía Eólica, más tarde los molinos de viento la transformaron en energía mecánica, permitiendo en algunos casos, mover moliendas, y en otros, bombeadores capaces de desplazar agua unos cuantos metros por encima del nivel en el que estaban operando. El aire presenta en general connotaciones muy importantes desde el punto de vista de su utilización: desde su necesidad para la vida, hasta contener olas en el mar, o impedir el congelamiento de agua por burbujeo, ha sido empleado en otras importantes funciones cuya evolución resumimos así: ~500
A.C.
1762 D.C. ~776 ~861
"865 "869 "874 "575 • 888 • :391
D.C. D.C. D.C. D.C. D.C. D.C. D.C. D.C.
FUELLE DE MANO Y DE PIE CILINDRO SOPLANTE PROTOTIPO COMPRESOR MECANICO PERFORADORAS NEUMATICAS CORREO NEUMATICO DE PARIS FRENO DE AIRE PARA F.F.C.C. CORREO NEUMATICO DE VIENA CORREO NEUMATICO DE BERLIN RELOJ NEUMATICO COMPRESOR DE DOS ETAPAS
(fundición no ferrosos) John Smeaton John Wilkinson G.Someiller (Monte Cenis) (Francia) Westinghouse (Austria) (Alemania) (Actuado por impulsos) Riedler.
De allí en más continúa una franca expansión de la aplicación de la técnica neumática, expansión que se :·:J-duce en forma simultánea con la involución de la utilización del vapor, y que coincide, con el conocido hecho :.: :a segunda revolución industrial. En nuestros días la neumática ha tomado fundamental importancia sobre todo en aplicaciones donde la . ~ :·:::dad de actuación debe ser elevada y particularmente en instalaciones donde la seguridad es el factor más -::x::rtante.
1.2) GENERALIDADES DEL AIRE COMPRIMIDO _ a re comprimido constituye en realidad una forma de transporte de energía y su utilización se ha ido
19
imponiendo paulatinar;.€nte como ya hemos visto. Sería interesante investigar los motivos de tal evolución circunscribiendo nuestro accionar a las características que éste presenta. Sería también oportuno anticipar la posibilidad de que existan tanto características deseables como indeseables. Así tenemos: CARACTERISTICAS Y CONSECUENCIAS
* Se trata de un medio elástico, así que permite su compresión * Una vez comprimido puede almacenarse en recipientes * Esta posibilidad de almacenamiento hace que su transporte se interprete de dos formas: una por conductos y tuberías y otra en pequeños recipientes preparados a tal efecto. *Aún comprimido el aire no posee características explosivas, esta particular situación hace de la técnica neumática un aliado fundamental en casos de seguridad. Además no existen riesgos de chispas o cargas electrostáticas. * La velocidad de los actuadores neumáticos es razonablemente alta ( En términos industriales) y su regulación es posible realizarla fácilmente y en forma continua ( con ciertas restricciones). * La compresibilidad del aire no compromete los circuitos debido a los golpes de ARIETE y además las sobrecargas a que se someten no constituyen situaciones peligrosas o que provoquen daños permanentes en el material. • Los cambios de temperatura no modifican su prestación en forma significativa y no produce calor por sí mismo. * Requiere instalaciones especiales para la recuperación del fluído utilizado (aire). • Normalmente se trata de una técnica limpia (Desde el punto de vista macroscópico) característica que unida a la seguridad, ya mencionada, proporciona una herramienta eficaz en muchísimos procesos industriales. *La limpieza característica a la que nos referimos antes, se va perdiendo a medida que "miramos" el aire en detalle. Efectivamente, en dimensión microscópica, el aire presenta impurezas que, para su uso satisfactorio, deben eliminarse. Es decir: el aire tal cual lo tomamos de la atmósfera, no sirve, motivo por el cual debemos someterlos a ciertos tratamientos que conocemos como: preparación del aire comprimido. • Los movimientos de los actuadores neumáticos no son rigurosamente regulares ni constantes debido a la calidad elástica del aire.Estas inexactitudes van en aumento en la medida en que la velocidad de dichos elementos se hace más lenta. ·Las presiones en que ordinariamente se trabaja con estos elementos hace que la fuerza máxima rentable esté comprendida entre los 20000 y los 30000 N (Alrededor de 2 a 3 toneladas). • Otro de los inconvenientes que se presenta con la utilización de esta técnica es el ruido que provoca la descarga del aire ya utilizado a la atmósfera. Este inconveniente puede evitarse razonablemente con silenciadores. Cabe aclarar que el aire de descarga podría estar contaminado y que por lo tanto no sigue manteniendo vigentes todas las propiedades que tenía cuando se lo aspiró.
20
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Las características hasta ahora estudiadas corresponden a temas técnicos, sin embargc es necee:: _,':O también tocar un tema ineludible: la consideración económica.
CONSIDERACIONES ECONOMICAS Aquí la situación es relativamente compleja pues para hablar del costo de la utilización del aire comprimido es necesario definir el punto desde el cual habríamos de comenzar a hacer nuestra cuenta; analizar cuantas posibilidades tenemos de reemplazar, con las mismas garantías, nuestra aplicación neumática por otra que dé el mismo resultado, y de que forma se estaría usando (en promedio) la estación de compresión. No es nuestro propósito llegar a semejante profundidad sino tener conocimiento aproximado del costo de utilización del aire comprimido. Puede demostrarse que el costo del m3 de aire aspirado (a 20 grados centígrados y a presión atmosférica) por una estación de compresión, incorporando en él conceptos tales como amortización, mantenimiento, reparación de toda la instalación, consumo de energía eléctrica, aceites y otros lubricantes oscila alrededor de 0,02 U$S. 12l Si bien conocemos cual es el costo por m3 de aire aspirado, no tenemos idea de que podemos hacer con él, y por lo tanto no es posible realizar comparaciones prácticas y sencillas con los costos de otras técnicas. Con el objeto de hacerlas, recurrimos a un sencillo ejemplo de automatización neumática. Sea entonces, el dispositivo de la figura siguiente en el que un cilindro de 50 mm. de diámetro eleva una carga de 2500 N (50 kg.) una distancia de 250 mm., obtenida la altura correspondiente opera el otro actuador descargando el paquete hacia una hilera de rodillos donde debe empujar los paquetes anteriormente estacionados. El diámetro del segundo actuador es de 25 mm., su carrera de 150 mm. y debe desarrollar una fuerza de 250 N. La presión de trabajo del sistema es de 600 kpa. (6 bar.)
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FIGURA 1.01 ESQUEMA DE UN DISPOSITIVO NEUMATICO PARA EL CAMBIO DE NIVEL Y DE SENTIDO DE MOVIMIENTO.
El consumo de aire (o sea la cantidad de aire que debe aspirar el compresor) para realizar un ciclo es de -
":'OS.
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Conociendo el costo de un m3 y la cantidad consumida para realizar un ciclo podemos calcular: 10001. • :a:;tidad de ciclos por m3 de aire =-----= 125 ciclos 81./ciclo 0,020 U$S - :-:sto de cada ciclo= = 0,00016 U$S 1ciclo 125 ciclos. 14l
21
Ahora sí estamos en condiciones de tener alguna idea de la posición relativa del costo de un movimiento o automatización neumática. A grandes rasgos podemos decir que efectuando una comparación resulta alrededor de 40 veces menor que la mano de obra directa, varías veces mayor que el costo eléctrico y significativamente menor que el hidráulico. Existen sin embargo factores que pueden alterar notablemente la posición relativa antes mencionada. entre ellos se encuentran: 1) Una instalación con defectos de diseño y montaje. Lamentablemente es bastante frecuente encontrar instalaciones que presentan defectos de diseño o incorrectas soluciones de montaje. 2) Las pérdidas de aire. Heridas casi habituales que crecen a medida que disminuyen los cuidados de la instalación. En el primer caso se impone corregir los defectos una vez localizados y en el segundo tomar precauciones tanto de diseño como de utilización para evitarlas. Un ejemplo nos permitirá recrear con más exactitud la realidad. Supongamos que en una tuberfa que mantiene una presión de 600 kpa. (6 bar)[88psi], localizamos un orificio de 3 mm. de diámetro (1/8"). Entonces nos preguntamos: 1) ¿Qué volumen de aire se pierde en la atmósfera por minuto? Ata.: Del gráfico de la figura 2.02 obtenemos que para 3 mm. de diámetro (1/8") y para 600 kpa. (6 bar)[88 psi], tendremos: Caudal de pérdida: 0,63 - - min 2) ¿Y en una hora? Ata.: 0,63 m3 • 60 min . 1 h. 37,8 m3
Volumen perdido min
h
3) Es interesante preguntarse ¿Cuántos movimientos podrían haberse efectuado con el dispositivo de la figura 1.01 con ese volumen de aire? Ata.: 125 mov.37,8 m3 Cantidaddemov.!hora.=---------4725mov/h
Si contáramos una jornada de 8 horas se habría perdido la posibilidad de realizar nada menos que: mov 4650-------.8 h.= 37200 mov. h 37200 movimientos con la pérdida producida por un orificio de 3 mm. de diámetro!
22
Es necesario a esta altura del desarrollo, considerar senamente !as incorrecciones c;ue provoqiJen cualquier tipo de pérdidas por pequeñas qu·J esta sean y e!iminaíias. Cualquier desviación en este sentido se hará notar, sin duda, en el costo fmal.
600KPa (6 bar)
10-3rn3Js m3/min 30
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CAUDAL 25 20
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200 KPa ( 2 bar)
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1,5
400KPa (4 bar)
5
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FIGURA 1.02- ABACO PARA LA DETERMINACION DEL CAUDAL DE PERDIDA EN FUNCION DE LA PRESION Y EL DIAMETRO EQUIVALENTE.
1.3) LEYES DE LOS GASES PERFECTOS Cuando necesitamos encarar el estudio de cualquier disciplina técnica, es absolutamente necesario :::-·.e~ ir previamente que sistemas de unidades habremos de utilizar. Esta precaución es necesaria tomarla para evitar tanto errores de operación como de apreciación en los obtenidos.
"?S- :a::lcs
~=
Exsten varios sistemas de unidades. De entre todos elegiremos el Sistema Internacional de Medidas, pues :.e..,..,·tirá generar documentos con validez internacional, sin necesidad de recurrir a molestas equivalencias. \¡a::.;ralmente no desarrollaremos aquí todas las magnitudes sino sólo las que nos interesen para nuestro
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23
ASi
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UNIDADES FUNDAMENTALES: S.l. Magnitud
Símbolo
U. de medida
Abreviatura
Longitud
L
metro
m
Masa
m
kilogramo
kg.
segundo
S
grados Kelvin
ºK
Tiempo Temperatura
T
UNIDADES DERIVADAS Magnitud Velocidad
Símbolo V
Fórmula
U. de medida
Abreviatura
Ut
metro por seg.
mis
Aceleración
a
Ut 2
metro por seg.
m/s 2 por seg.
Fuerza
F
F=m.a
Newton
N n=1 kg./s 2
Are a
A
A=L.L
metro cuadrado
m2
Volumen
V
V=L.L.L
metro cúbico
m3
Caudal
Q
O=V!T
metro cúbico
m3/s por segundo
Presión
p
P = FIA
Pascal
PA PA=1 N/m2
Observación con respecto a la FUERZA Por lo general estamos acostumbrados a referimos a la fuerza en otra unidad diferente a la definida, es por ese motivo que queremos acercar al lector la vivencia de qué fuerza representa en nuestra realidad un NEWTON. Según la ley que el mismo descubriera, una fuerza de un Newton es aquella capaz de lograr que un kilogramo se acelere a un metro por segundo por segundo, es decir 1 NEWTON = 1 KG .. m/s2 En la realidad concreta podemos decir que es aproximadamente la décima parte del kilogramo que usamos a diario.
Observación con respecto a la temperatura La escala Kelvin tiene una distancia, entre grados, igual a la escala centígrada sólo que una se encuentra desplazada de la otra 273 divisiones. Ejemplo: La vista parcial de la escala Kelvin y centígrado indicando la misma temperatura sería:
24
306 [
ºK
ºC
]33
304
31
302
29
300
27
298
25
296
23
FIGURA 1.03 - EQUIVALENCIA ENTRE LAS ESCALAS KELVIN Y CENTIGRADA
Observación con respecto de la presión
Con la unidad de presión sucede lo mismo que con la unidad de fuerza: no estamos acostumbrados a usarla y no tenemos una referencia práctica que nos resuelva el problema. La unidad es el PA (PASCAL) y correspondería ideal- mente a la fuerza de 1 N distribuida normalmente en un área de 1 m2 • La presión así generada resulta muy pequeña pero como corresponde a la unidad deberemos tomarla ::omo referencia. ¿Qué ocurre entonces? Cualquier valor de presión que encontremos en la realidad cotidiana contendrá s-duda muchas unidades, (según la definición anterior), generando así la necesidad de usar números muy :::.::·..;ltados para representarla. Ejemplo: La presión con la que se trabaja normalmente en instalaciones neumáticas es de 6 kg./cm 2 Tratemos de expresar esta medida en las unidades que hemos adoptado. 6Kg .. 10000 cm 2 • 10 N
6Kg.
cm2
=
600000 N
------------------ = cm 2
1m2
1 Kg.
m2
=
600000 PA
Evidentemente la cifra es poco práctica para manejar cotidianamente, motivo por el cual, y para -a-tenemos dentro del sistema internacional, se adopta el uso de un múltiplo: el Kpa. 1 KPA
= 1000 N/m2 , por lo tanto nuestra medida, con la consiguiente reducción se leería: 6 Kg./cm 2 = 600 KPA
25
Existe sin embargo una conversión muy usada que es la siguiente: 1 BAR= 100000 PA, en consecuencia 600000 PA = 6 BAR= 600 KPA. Con el objeto de contar con herramientas que nos permitan, más adelante, manejar adecuadamente los cambios de estado que se produzcan en el aire, estudiaremos las leyes que salen de los gases perfectos.
Ley de Boyle-Mariotte Si en un recipiente, adecuadamente preparado, encerramos una determinada cantidad de gas y lo sometemos a las siguientes situaciones:
t
1) El gas [2] está encerrado soportando solamente el peso del pistón [1 ). Llamamos ésta situación "estado 1 "(fig. 1.04A) y registramos los valores de presión y volumen P1 y V1.
2) Hemos aplicado una fuerza F1 sobre el pistón; el recipiente se vería ahora así: "Estado 2" (fig.1.04b), registramos: P2 y V2.
3) Apliquemos ahora la fuerza F2 sobre el pistón; esta sigue bajando hasta detenerse, uEstado 3" (fig. 1.04C) registramos: P3 y V3. 4) Observación general: cada uno de estos cambios de estado debemos hacerlos sin que varíe la temperatura ( T =constante).
FIGURA 1.04-ESQUEMA PARA LA INTERPRETACION DE LA LEY DE BOYLE - MARIOTIE.
Si analizáramos ahora lo ocurrido bastará una simple observación para descubrir que el volumen se achica en la medida que aumenta la fuerza exterior y simultánea y paralelamente la presión aumenta, es decir mientras el valor de un parámetro disminuye, el otro se agranda. Si multiplicáramos entre sí estos parámetros para cada uno de los estados, veríamos con sorpresa que todos los resultados concuerdan! Es decir
P1 . V1 = P2 . V2 = P3 . V3
Esta conclusión es en realidad la ley de Boyle y Mariotte y que se expresa así: "Los cambios de estado, de un gas perfecto, que se realicen a temperatura constante, mantendrá constante los productos de la presión por el volumen de cada estado". Es decir:
Pi . Vi = Pf . Vf
, donde i= inicial y f= final.
26
Leyes de Gay Loussac Imaginemos ahora el mismo recipiente usado anteriormente pero esta vez con un estado inicial diferente. 1ª Ley: A presión constante. 1) Sea ese estado el representado en la figura 1.05A: el área superior del émbolo está expuesta a la presión atmosférica. Registramos V1 y T1.
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2) Si realizamos un cambio de estado por incorporación de calor veremos que el pistón sube y varía el volumen y la temperatura. Registramos V2 y T2.(fig 1.058)
3) Agregamos nuevamente calor a nuestro sistema, el pistón vuelve a subir haciendo variar otra vez el volumen y la temperatura. Registramos V3 y T3.(fig. 1.05C).
4) Observación: cada uno de los cambios de estado se produce a presión constante pues: P = P con Atm. =cte.
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FIGURA 1.05 - ESQUEMA PARA LA INTERPRETACION DE LA 1ª LEY DE GAY LOUSSAC. Analizando lo ocurrido vemos que a medida que se incorpora calor al sistema, crecen tanto el volumen como la temperatura, siempre y cuando la presión se mantenga constante. Si ahora dividimos entre sí los parámetros de cada uno de los estados vemos que nuevamente los valores coinciden! Es decir: -
V1 V2 V3 -- = - - - =--T1 T2 T3
Esta conclusión se conoce como ley de Gay Loussac y se expresa así: "Los cambios de estado de un gas oerfecto que se realicen a presión constante, mantendrán constantes los cocientes entre el volumen y la temperatura de cada estado". Vi Vf i =inicial Es decir: si P =cte. --- = --- = cte f =final Ti Tf 2ª Ley: A volumen constante. Nuestro imaginario recipiente de ensayo es ahora totalmente cerrado, hecho que nos indica que los cambios de estado se realizarán a volumen constante.
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1) Nuestro estado inicial: P1 y T1 (Fig.1.06a). 2) Calentamos y registramos P2 y T2 (fig.1.06b). 3) Calentamos nuevamente y registramos P3 y T3. (Fig. 1.06c).
Analizando vemos que para los distintos estados la presión crece con la temperatura. Dividiendo los parámetros de cada estado entre sí resulta:
P1 P2 P3 -=-=T1 T2 T3 '
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...
,.• •.,
Esta conclusión corresponde a la Ley de Charles y se expresa así: "Los cambios de estado de un gas perfecto que se realicen a volumen constante, mantendrán constantes los cocientes entre la presión y la temperatura de cada estado".
Es decir:
si
Pi Pf v =cte.--=--= cte. Ti Tf-
FIGURA 1.06- ESQUEMA PARA LA INTERPRETACION DE LA 2!!LEY DE GAY LOUSSAC
Ecuación general de los gases perfectos Podemos demostrar que cualquier transformación termodinámica puede conocerse a partir de la ecuación general de los gases perfectos que dice: "Los cambios de estado de un gas perfecto mantendrán constante, para cada estado, el producto de la presión por el volumen divididos por la temperatura."
Es decir:
Pi. Vi Pf. Vf --=--=cte. Ti Tf
Ejemplos de aplicación
1) Calcular: ¿Qué volumen final ocupará una masa de gas que se encuentra a una presión de 100 kpa y ocupa un volumen de 1 m3 y esta a 298ºK, si se aumenta la presión a temperatura constante, hasta 700 kpa.?
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Solución: Hay que aplicar la 2ª Ley de Gay Loussac. Pi Pf Pf - =De donde Ti Tf
Pi. Tf Ti
100 kpa . 330ºK Reemplazando Pf = ---------------- = 110,73 kpa. 298ºK Una modificación de 32ºK sólo modificó la presión en un 1O % aproximadamente. 4) Resolver los problemas anteriores por aplicación directa de la ley general de los Gases Perfectos.
4.1
Condiciones finales: Pf = 700 kpa Vf =? Tf = 298ºK = Ti
Condiciones iniciales: Pi= 100 kpa. Vi= 1 m 3 Ti= 298ºK
1.4) ¿QUE ES EL AIRE ? El aire es una mezcla de gases. Alrededor de dieciséis son los que lo conforman; aunque sólo dos de ellos ocupan el 99% de su volumen.( 5l. Estos dos son, el nitrógeno con un 78% y el oxígeno con un 21% aproximadamente; el volumen restante, que ocupa el1 %, lo comparten los gases nobles y gases producto de mezclas y combinaciones de estos y otros elementos. Esta curiosa mezcla que respiramos a diario tiene una serie de propiedades interesantes y en general podemos decir que conforma un gas real. El aire pesa 1,2928 gramos por litro a 273ºK y a presión atmosférica. Tanto su densidad como la velocidad del sonido varían con la temperatura y con la presión. Es compresible y cumple con aproximación satisfactoriamente aceptable las leyes que estudiáramos para los Gases Perfectos. Esta es quizás una de las propiedades más importantes pues permitirá manejar los cambios termodinámicos del aire en situaciones reales. Hasta aquí nos hemos referido al aire seco pero normalmente en la naturaleza se presenta asociado al vapor de agua, este último se comporta como un gas más de la mezcla. A la cantidad de agua que contiene el aire se la conoce como humedad. Este tema lo tocaremos en el punto 3 de este capítulo. El aire como mencionáramos al principio, rodea nuestro planeta formando una capa de varios km. de espesor. Esta capa permanece "pegada" a la superficie gracias a la gravedad terrestre. Imaginando la atmósfera como si estuviera constituida por distintas capas, resultaría evidente que, cada una de ellas descansaría sobre la otra hasta alcanzar la superficie. Sobre ella percibimos el resultado de aquellas cargas sucesivas que reconocemos como presión atmosférica.
30
Naturalmente nuestro p:ansta está en c:onstame evolución sob:·e r: 'T.'srr o y al red E· Jr es ~ ~: _ . consecuencia cabe imaginar una serie de variaciones en el espeso: se la cspa Lit: aire qué se rr:2' ;;dta finalmente como una variable de la presión atmosférica.
1.5) PRESION ABSOLUTA Y RELATIVA Considerando que los seres humanos nos hemos desarrollado en un ambiente sometido a la presión de 1 bar, pero sin percibirla, nuestras primeras mediciones tomaron como referencia esta presión. Este es el motivo por el cual, cualquier valor de presión que sea superior a la atmosférica la conocemos como presión (o sobre presión) y a cualquier valor de presión que este por debajo de la atmosférica la reconocemos como vacío (o depresión). Según sea la referencia que tomemos para medir la presión, estaremos en presencia de una medida absoluta o relativa. (Ver figura 1.07). Es decir: la presión relativa (o efectiva) es aquella medida de presión que toma como referencia a la presión atmosférica. La presión absoluta es aquella medida de presión que toma como referencia al cero absoluto de presión. MEDIDA DE PRESirlf
PRESIOH ABSOLUTA 1 PRESION RELATIVA
FIGURA Nº 1.07 ESQUEMA INDICANDO REFERENCIA DE PRESION ABSOLUTA Y RELATIVA.
PRESIOH ABSOLUTA DE CERO L.lPRESIOH ATMOSFERICA
Medida del aire: Volumen normal Por lo visto, sabemos que para expresar con claridad una determinada cantidad de aire debemos definir su estado, esto es indicar el valor de la presión, del volumen y de la temperatura del mismo. Habitualmente uno de los parámetros que más suele interesamos es el volumen, lo que conduciría a aclarar presión y temperatura asociados a ese estado. Para evitar esta situación se ha convenido hablar del VOLUMEN NORMAL que presupone fijas la cresión y la temperatura en 1 bar y OºC. (273ºK).
1.6) HUMEDAD DEL AIRE En el aire se encuentran permanentemente pequeñas cantidades de agua en forma de vapor; estas cantidades varían con la temperatura. A medida que la temperatura aumenta, aumenta también la posibilidad de que haya mayor cantidad
::.e agua en el aire. Si consiguiéramos dejar constante la temperatura, mientras entregamos agua a una masa de aire, .eríamos que esta "entrega" tendría un límite más allá del cual el agua no es aceptada. Este fenómeno se conoce ::::mo SATURACION.(6l.
31
En muchos casos interesa saber que cantidad de agua tiene un volumen de aire. Esto es lo que se conoce como HUMEDAD ABSOLUTA y se calcula: Cantidad de agua(gl
H. AB =--------------------·
(7)
Cantidad de aire (m3} Debido a la característica del aire de incorporar agua a su masa, cabe suponer que para una temperatura y presión fijas el contenido de aquella varía entre cero (aire seco) y toda la que pueda contener (aire saturado). Esta situación, de posibilidad de variación, nos conduce a la necesidad de conocer que porcentaje de esa capacidad (de incorporar agua a su masa) ha sido usada. La solución nos la da la HUMEDAD RELATIVA que relaciona la cantidad de agua que tiene el aire con la que podría tener si estuviera saturado. (frecuentemente se expresa en porcentaje). Para una temperatura y presión conocidas, se calcula: Humedad Absoluta x 100
H. RE % =-------------------------------
(8)
Humedad de saturación. El gráfico de la figura 1.08 nos muestra la cantidad de agua en g/m3 para distintas temperaturas. Como se puede observar, a 30 2 C. (303 2 K }, el aire tiene la posibilidad de contener hasta 30 g./m3 •
1.7) PUNTO DE ROCIO Este concepto es muy importante para manejarse acertadamente con el aire ya sea que esté comprimido o no. Si una muestra cualquiera de aire es sometida a un enfriamiento sin que varíe su contenido de agua, ha de llegar un momento en que se consigue la saturación. En ese momento estamos en el punto de rocío y la temperatura a la que este fenómeno se verifica se llama temperatura de punto de rocío. Cabe distinguir la posibilidad de realizar este experimento a presión atmosférica o bajo presión. Como existe una variación de la humedad de saturación cuando aumenta la presión, también hay una variación del punto de rocío. La fig. 1.09 nos muestra un gráfico en el que se pueden conseguir las equivalencias correspondientes. Por ejemplo: Si hemos obtenido una temperatura de punto de rocío de 102 C a 7 bar relativos, el gráfico nos muestra que equivale a una temperatura de punto de rocío de -17 2 C a presión atmosférica. Note el lector que este concepto es también una forma de medir el contenido de humedad de una mezcla aire - vapor de agua, o en otras palabras la humedad del aire atmosférico.
32
FIGURA Nº 1.09 GRAFICO PARA LA CONVERSION DEL PUNTO DE ROCIO BAJO PRESIONA PUNTO DE ROCIO A PRESION ATMOSFERICA.
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PRESION RELATIVA
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ATMOSFERICO
1.8) COMPORTAMIENTO DEL CONTENIDO DE AGUA DURANTE LA COMPRESION. El aire a pesar de comprimirse sigue teniendo la misma cantidad de agua por unidad de volumen. (De aire ya comprimido). Si imaginamos una muestra de aire (En determinadas condiciones de temperatura y H.R.) y lo comenzamos a comprimir, sucede lo siguiente: 1) Si la muestra no está saturada, distinguimos dos etapas, a saber:
a) Antes de alcanzar la saturación: • La humedad absoluta permanece constante. ·La humedad de saturación disminuye.(9). * La humedad relativa aumenta. * El punto de rocío aumenta.
34
b) Una vez que la saturación es alcanzada: * * * * *
La humedad absoluta disminuye. La humedad de saturación sigue disminuyendo. La humedad relativa es cte. e igual al 100% El punto de rocío permanece constante. Se elimina agua.( En estado líquido).
Como corolario de toda esta explicación podemos decir que es más conveniente tratar al aire una vez comprimido que antes de la compresión. Si bien las razones son las que se expusieron, creemos oportuno mostrar esta posibilidad a través de la figura 1.1 O. En él gráfico se observan dos juegos de curvas, uno de ellos, el de la izquierda es el mismo que el presentado en la figura 1.08, y corresponde aliado "aire no saturado" y el de la derecha aliado "aire saturado". Allí apreciamos curvas representativas del punto de rocío (T2 C.) a distintas presiones relativas , y :1a humedad de saturación correspondiente en g./m3 .(10>. La transformación que se describe a continuación dejará en claro la exposición: Supongamos que se aspira un determinado volumen, por ejemplo: 1 m3 y que el aire aspirado está a centígrados y al 70% de H.R .. EI contenido de agua, o sea, la humedad absoluta, la leemos en el eje de coordenadas: 16 g./m3 aproximadamente. 252
FIGURA 1.10- CONTENIDO DE VAPOR DE AGUA PARA AIRE NO SATURADO Y SATURADO A DISTINTAS PRESIONES. Como el aire que se aspiró es el que se comprime, no varía su cantidad de agua, por lo tanto :x>demos desplazarnos horizontalmente hasta la posición final y obtener la temperatura asociada a ese nuevo estado, en nuestro caso 7 bar (rel.} y 572 C.( 11 >. Si por cualquier medio lográramos enfriar el aire y pasar a otro estado en que la temperatura sea "TenOr (sin variar la presión}, por ejemplo 102C., veríamos en el eje vertical que el aire en este nuevo estado se satura con una humedad de 1,6 g./m3 • En resumen: 16 g./m3• Humedad de entrada: Humedad después de comprimir y refrigerar: 1.6 g.lmJ.. Condensado (agua liquida) 14,4 g./m3 • Conclusión: al comprimir el aire y luego enfriarlo hemos logrado disminuir su contenido de agua. Este concepto es muy importante y será de mucha utilidad cuando estudiemos el acondicionamiento roustríal del aire.
35
FIGURA Nº 1.10 CONTENIDO DE VAPOR DE AGUA PARA AIRE NO SATURADO Y SATURADO A DISTINTAS PRESIONES
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1.9) CONSTANTES FISICAS: Masa del aire seco: 1,2928/litro, a OºC. y 1,013 bar. Velocidad del sonido: 331 ,48m/s (a 1,013 bar y a OºC.) Calor específico a :C = 0,2405 (p/ºC.) . ' p pres1on constante conductividad térmica: k
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cm • ºC .. seg. Temperatura crítica: -140,63ºC. Presión crítica: 37, 17 Atmósferas. J
Constante del gas: 287,1 - - -
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(1)- ANAXIMENES ( 595-523 A.C.) De la escuela de Tales de Milete y sucesor de Anaximandro sostenía que todas ::s cosas están formadas por el aire (que concretiza el infinito). Dice literalmente: "Exactamente como nuestra alma. por osr aire, nos sostiene, del mismo modo el soplo y el aire envuelven al mundo entero. (frag. 2). (2) Nos estamos refiriendo a una determinada "calidad de aire": lo que se necesita en general para operar elementos ·sumáticos algo rústicos. Vease el tema "Calidad Necesaria"; Capítulos 4 y 5 (3) El lector podrá comprobar más adelante , por su propia cuenta, la necesidad de este dato. (4) Con esta cifra estamos en condiciones de comparar, pero aún así se debe tener mucho cuidado pues las :·estaciones en las distintas técnicas suelen ser diferentes. (5) Ocho de estos gases corresponden a los llamados gases permanentes y el resto a los accidentales, como por s s-nplo: el Hidrógeno, Anhídrido carbónico, Oxido de carbono, metano, etano, etc. (6) En rigor científico, el aire es una mezcla de gases y uno de ellos es el vapor de agua (considerado como un gas). Existe una ley, la ley de Dalton, que dice que:"En una mezcla de gases cada componente ocupa todo el volumen ~ S.J presión parcial. Es natural entonces que en el aire exista agua. (aunque en forma de vapor). Esta presión parcial puede variar, dependiendo de ciertas condiciones, hasta un máximo que se conoce como : ·ss1ón de saturación o simplemente saturación. En este punto el vapor coexiste con el agua líquida. (7) Ateniéndonos al concepto teórico puro, la humedad absoluta (x) es la masa de agua contenida por unidad de masa
=-= :: re seco (es adimensional). Sin embargo suele trabajarse con las unidades que hemos indicado, sin que esto perjudique =- ::: ncepto principal, antes lo simplifica. (8) También en este caso ateniéndonos al rigor científico, la humedad relativa, que se define como la relación entre ::: ·esión de vapor y la presión de saturación. En la práctica la diferencia es despreciable, por lo que se puede seguir usando e:: 'órmulas que enunciáramos. (9) En la tabla que sigue se dan los valores de la humedad de saturación xs en gramos por cada kilogramo de aire
¡.¿.:: oara una temperatura de 30ºC. y calculadas según la fórmula.:
x.
Pv
donde Pt-Pv
= '1umedad de saturación
=·. = Presión de vapor a una temperatura dada =- = :::: aire seco+ P vapor= Presión total. - =
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Cabe aclarar que en una compresión la temperatura no se mantiene constante sino que aumenta.
·O' En realidad lo que se está dando es la densidad en g./m 3 • En este caso no sucede pero si se alcanzara la saturación durante la compresión, el valor final de la temperatura ~-:: : s: --:to. pues alcanzada la temperatura de punto de rocío, esta se mantendría constante y se estaría. a partir de ese
-:--s-:: condensando agua.
37
1
CAPITULO XI 11) VALVULAS NEUMATICAS GRUPO: DIRECCIONALES OBJETIVO DIDACTICO: Que el lector conozca y comprenda como funcionan las válvulas neumáticas y la relación que tienen con el símbolo que las representa.
11.1) INTRODUCCION. Para comprender mejor las válvulas direccionalesPl es necesario hacer algunos comentarios generales acerca de su construcción con el objeto de ubicarnos adecuadamente. Existen dos tipos de válvulas: (Ver figura 11.01) - Las de deslizamiento. - Las de asiento.
SELLO METALICO
FIGURA 11.01 -ESTRUCTURA BASICA DE LAS VALVULAS DIRECCIONALES
Cada uno de estos grupos tiene características especiales a saber: Las válvulas de deslizamiento son fáciles de accionar (en relación con el esfuerzo realizado para hacer-
lo) y lentas en su respuesta (tiempo transcurrido entre la llegada de la señal y la salida de aire de la válvula). Como contrapartida, las de asiento son de difícil accionamiento pues requieren más fuerza, aunque son de respuesta más rápida. Con la idea de proporcionar una noción de los tiempos, diremos que las primeras están en el orden de los 60 ms mientras que las de asiento están en los 30 ms. Tanto las válvulas de deslizamiento como las de asiento ("Poppef') han sufrido modificaciones desde su creación; éstas han sido orientadas a mejorar el desempeño. - Para las de desplazamiento: hacer la carrera del núcleo lo más corta posible. - Para las de asiento: construir áreas de accionamiento más grande para facilitarlo.
157
Otra modificación muy utilizada es la del comando indirecto tam'·ién conocido en el ambiente come "pilotadas". Consiste en colocar una válvula de pequeñas dimensiones, junto a la válvula principal, que a! activarse, la dispare. Esa válvula piloto es activada con un nivel de energía relativamente bajo y es estas~.; característica ventajosa. Pasemos ahora al estudio de cada grupo en particular.
11.2) VALVULAS DE DESLIZAMIENTO- TIPOS DE CONSTRUCCION. Cuando hablamos de tipos de construcción debemos diferenciar entre tres posibilidades:
11.2.1 Deslizamiento cilíndrico. 11.2.2 Deslizamiento plano. 11.2.3 Deslizamiento giratorio. En los primeros, la construcción de la válvula se realiza por el desplazamiento de un "carretel" dentro del cuerpo de la válvula. En muchos casos y con el objeto de simplificar su construcción, entre el carretel y el cuerpo de la válvula propiamente dicho, existe una "camisa". El hermetismo o estanquidad se consigue incorporando en el diseño anillos elásticos o simplemente "hermanando" las piezas para conservar el contacto directo metal-metal. Este criterio de estanquidad divide la construcción de válvulas en dos grandes grupos: las de sello elástico y las de sello metálico. Como es natural, el sello elástico está sometido a desgaste y a la acción de los elementos químicos dispersos en el aire. El sello metálico en cambio, si bien admite una ligerísima filtración, no está sometido al desgaste otorgando a la válvula que la ostenta una vida útil casi ilimitada(2l. El deslizamiento plano es un recurso interesante que podría operar también con los mismos criterios que los vistos. La zona de conmutación es plana. No es muy frecuente encontrarnos con una válvula de esta construcción. El deslizamiento giratorio responde a un viejo concepto: dos superficies que giran entre sí, apoyándose una en la otra. El caso más común en neumática es el de dos superficies planas. Generalmente son de accionamiento manual.
11.2.1) Válvulas de deslizamiento cilíndrico. Principios constructivos Antes de analizar el comportamiento de una válvula en cuanto a sus vías, posiciones, accionamiento, etc, miremos cono se han resuelto constructivamente los distintos tipos de válvulas de deslizamiento cilíndrico. Uno de los tipos más comunes es el representado en la figura 11.02. La estanquidad se realiza a partir de sellos tóricos incorporados al carretel. El sucesivo pasaje de estos "anillos elásticos" frente a los orificios de salida compromete la duración de la válvula.
FIGURA 11.02- CORTE DE UNA VALVULA DE DESLIZAMIENTO CILINDRICO MOSTRANDO LOS SELLOS ELASTICOS QUE PROVOCAN LA ESTANQUIDAD EN SUS DOS POSICIONES POSIBLES.
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En la figura 11.03 mostramos otra solución para las válvulas de este tipo con sello elástico.
FIGURA 11.03- VALVULA DE DESLIZAMIENTO CILINDRICO CON SELLOS ELASTICOS Y CARRETEL MACIZO.
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La solución consiste en colocar los sellos en la camisa, permitiendo de esta forma la colocación de un carretel macizo.
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La solución más curiosa en este tipo de válvulas es la que ofrece el sello metal-metal. En la figura 11.04 podemos observar este tipo de construcción.
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FIGURA 11.04 - VALVULA DE DESLIZAMIENTO CILINDRICO CON SELLO METAL-METAL. SE ADVIERTEN LAS DOS POSICIONES DE CONMUTACION .
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Advertiremos aquí la necesidad de contar con un mecanizado de alta precisión con el objeto de lograr un ajuste tal que impida fugas importantes y que por otra parte permita un desplazamiento suave y de bajo rozamiento.
159
Debido a estas características las válvulas de sello metálico garantizan una larga vida útil aun en el case que se utilicen sin lubricación. Existen otras soluciones constructivas que son simplemente variantes de lo anterior y que no arrojan más luz a lo visto. Es interesante ahora, pasar revista a algunas construcciones desde el punto de vista de la función que la válvula debe desempeñar. Por ese motivo encontraremos de ahora en más cada corte (o esquema) con su símbolo correspondiente para poder identificarlo.
11.2.1.1) Válvula de 2 vías, 2 posiciones cerrada en su posición de reposo, accionada por pulsador y recuperada a su posición de equilibrio por resorte (Ver figura 11.05).
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1 FIGURA 11.05 - ESQUEMA DE UNA VALVULA 2/2 NC DE DESLIZAMIENTO CILINDRICO.
Como podemos observar el funcionamiento, de la válvula responde plenamente a lo indicado por el símbolo. En la posición de reposo, figura superior, la presión no pasa a través de la válvula y simultáneamente la conexión de utilización está bloqueada. Cuando la válvula se acciona, como indica la figura inferior, la presión alcanza la salida de utilización. Si se suelta el pulsador, el resorte colocará la válvula en su posición de equilibrio.
11.2.1.2) Válvula de 2 vías, 2 posiciones, abierta en su posición de reposo, accionada por pulsador y recuperada a su posición de equilibrio por resorte. En la posición de reposo (figura 11.06) la presión circula directamente hacia la utilización mientras que el escape está fuera de servicio. Cuando la válvula se acciona se interrumpe el suministro quedando la canalización de utilización también cerrada.
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Al aflojar el pulsador se repone a la condición de equilibrio. 5
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FIGURA 11.06 - ESQUEMA DE UNA VALVULA 212 NA DE DESLIZAMIENTO CILINDRICO.
11.2.1.3) Válvula de 3 vías, 2 posiciones, normal cerrada accionada por pulsador y recuperada por resorte.
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€fD FIGURA 11.07 - ESQUEMA DE UNA VALVULA 3/2 NC DE DESLIZAMIENTO CILINDRICO. Como podemos apreciar en la figura 11.07 en la posición normal (1) está interrumpida y la utilización (2) está con el escape(3). Cuando se conecta, se producen las conexiones (1) con (2) y (3) fuera de servicio.
11.2.1.4) Válvula de 3 vías, 2 posiciones, normal abierta accionada por pulsador y recuperada por resorte. Esta válvula se caracteriza por permitir el pasaje del aire hacia la utilización cuando está en reposo (ver figura 11.08).
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FIGURA 11.08 - ESQUEMA DE UNA VALVULA 3/2 NA DE DESLIZAMIENTO CILINDRICO.
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Cuando la válvula está en reposo, la presión {1) está conectada con la utilización {2} y el escape {3) fuera de servicio.
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Accionada la válvula se interrumpe {1) y se purga {2) por el escape{3).
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En general las válvulas de dos y tres vías de este grupo, responden a estas construcciones típicas. Además se advierte que si intercambiamos {1) con {3) convertimos la válvula NC a NA y viceversa.
11.2.1.5) Válvula de 5 vías 2 posiciones con accionamiento neumático directa por presión tanto en un sentido como en el otro. Esta válvula está emparentada directamente con las anteriores, sólo que posee un "carrete" con más divisiones. La figura 11.09 nos muestra su funcionamiento. Su conmutación se produce cuando la válvula recibe cierta "información" por el orificio de pilotaje {aire comprimido) que hace desplazar el carretel hacia la otra posición, efectuando en consecuencia las conexiones correspondientes: (1) con (2) y {4) con {3).
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FIGURA 11.09 - ESQUEMA DE UNA VALVULA 5/2 CON DESPLAZAMIENTO CILINDRICO.
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Su inversión se produce cuando la información llega ahora al otro orificio de pilotaje conectando (1) con {4) y (2) con (5).
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Es interesante destacar como habremos de nombrar a los pilotos: El piloto que conecta (1) con (2) se llama{12) óz El piloto que conecta {1) con {4) se llama(14) ó y Esta válvula presenta dos aspectos muy importantes a tener permanentemente en cuenta: 1º) Un pilotaje sólo podrá ser activo cuando su contrapilotaje está desactivado. 2º) Cada "información" u "orden" que llegue a la válvula quedará registrada. Esta propiedad en el futuro la reconoceremos como "memoria."
162
11.2.1.6) Válvulas de 5/3
a~cionadas
neumáticamente y centradas por resorte.
La posición de equiiibrio de estas válvulas es la central. En neumática suelen usarse las siguientes construcciones.
11.2.1.6.1) Centro cerrado. El croquis de la figura 11.1 O nos muestra, además del símbolo de la válvula, como se logran las tres posiciones, interrumpiendo toda circulación en la posición central. Más adelante veremos como esta válvula se aplica cuando deseamos detener un actuador de doble efecto (lineal o rotativo) sin que exista la posibilidad de alterar su posición.
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FIGURA11.10- ESQUEMADEUNAVALVULA5/3CC DE DESLIZAMIENTO CILINDRICO.
11.2.1.6.2) Centro a escape. En la figura 11.11, como en el caso anterior, muestra también las tres posiciones, pero esta vez permitiendo el escape a la atmósfera de las utilizaciones mientras mantiene cerrado el suministro. Veremos que aquí el objetivo es permitir el movimiento del actuador pero por alguna acción externa.
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FIGURA 11.11 - ESQUEMA DE UNA VALVULA 5/3 CENTRO A ESCAPE DE DESLIZAMIENTO CILINDRICO.
Con el objeto de posibilitar una comprensión más profunda de los accionamientos diremos que es posible, adoptando un cabezal apropiado para cada caso, conseguir accionamientos neumáticos, eléctricos y combinados.
11.2.1.7) Ejemplos reales. Hasta ahora hemos presentado croquis muy simples de entender. Creemos oportuno mostrar, complementando lo anterior, algunas construcciones cercanas a lo real, con el objeto de lograr su identificación.
163
11.2.1.7.1) Válvula 3/2 NC (NA) de deslizamiento con sello metálico. La figura 11.12 nos muestra el corte simplificado de una válvula de 3 vías 2 posiciones accionada eléctricamente y retornada por resorte.
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FIGURA 11.12 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 3/2 NC {NA) DESLIZAMIENTO DE CILINDRICO Y SELLO METALICO.
Esta válvula tiene dos características, una de ellas es que tiene sello metálico y la otra que puede cumplir dos funciones: NC ó NA. Advirtamos que intercambiando {1) con {3), es decir la alimentación con el escape y viceversa, tenemos las dos funciones. Como podemos apreciar, el accionamiento {o conmutación) se produce cuando por la bobina {o solenoide) circula energía eléctrica, creando un campo magnético capaz de atraer al núcleo. Este al ser"chupado" desplaza el carretel de la válvula provocando la conmutación. Este tipo de accionamiento es el que se conoce como accionamiento eléctrico directo. Esta válvula se mantendrá accionada en tanto y en cuanto el solenoide esté activado. La desactivación del solenoide permitirá al resorte actuar libremente, recuperando así su posición de equilibrio.
11.2.1.7.2) Válvula de 5/2 accionamiento eléctrico directo y retorno por resorte. Como en el caso anterior, esta válvula pertenece al grupo de las de "sello metálico". Su funcionamiento es muy sencillo y gracias a la figura 11.13 podemos apreciar que la diferencia con la anterior está en la forma del carretel que ahora tiene un anillo más en su parte media.
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FIGURA 11.13 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 5/2 DE DESLIZAMIENTO Y SELLO METALICO.
Otra característica destacable de esta válvula es que su montaje se realiza a través de una placa base sobre la que se colocan las conexiones. Esta modalidad permite reemplazar la válvula con toda facilidad en los casos de inspección o falla.
164
• 11.2.1.7.3) Válvula de 5/2 de doble accionamiento eléctrico. a
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Esta válvula se la conoce comúnmente como de " doble solenoide". Al igual que las anteriormente presentadas, es de sello metálico y su montaje se realiza a través de una base donde se colocan las conexiones (ver figura 11.14}. Es importante repetir aquí lo que dijéramos cuando presentamos la 5/2 de doble pilotaje neumático: esta válvl,lla se conmuta cuando la energía eléctrica alcanza uno de los solenoides y simultáneamente el otro está desactivado. Además, después de la conmutación, si se interrumpe la energía al solenoide activo, la válvula permanece en esa condición hasta recibir la contraorden. Nótese que debido al bajo rozamiento del carretel con la camisa ha sido necesario asegurar la posición con una traba. (Parte izquierda del carretel}.
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FIGURA 11.14 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 5/2 DE DOBLE ACCIONAMIENTO ELECTRICO, DE DESLIZAMIENTO CILINDRICO Y SELLO METALICO.
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11.2.1.7.4) Válvula 5/3 centro cerrado. Doble solenoide centrada por resortes. Si observamos la figura 11.15 tenemos la sensación de estar frente a la válvula anterior, sin embargo, existen notables y fundamentales diferencias en su construcción: la primera es que el carrete es diferente y mantiene cerradas todas las entradas y las salidas cuando ninguno de los solenoides están activados. Segundo, hay dos resortes que son los encargados de esta función.
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Esta válvula tendrá su aplicación en el mantenimiento bajo presión de las dos cámaras de un cilindro de doble efecto. ·, ~4
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FIGURA 11.15 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 5/3 CENTRO CERRADO. DOBLE SOLENOIDE CENTRADA POR RESORTES (DESLIZAMIENTO Y SELLO METALICO).
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11.2.2) Válvulas de deslizamiento plano. Principios constructivos La idea central, en este tipo de válvulas de deslizamiento plano, es desplazar una placa que cubra orificios permitiendo su conexión o desconexión a través de canales practicados en ella. La figura 11.16 permite apreciar la placa con sus canales realizando, al ser desplazada, distintas
165
conexiones. Esta placa se encuentra vinc'Jiada con une_ horquilla a un vástago capaz de desplazarse cuando se lo active convenientemente. FIGURA 11.16- PRINCIPIO CONSTRUCTIVO DE LAS VALVULAS DE DESLIZAMIENTO PLANO.
Tanto la placa de conmutación como la de apoyo deberán estar correctamente rectificadas para lograr una buena estanquidad y un bajo rozamiento.
11.2.2.1) Ejecución de 3 vías 2 posiciones NC con pilotaje neumático y retorno por resorte. 11 En la figura 11.17 podemos apreciar la ejecución mencionada tanto en su posición de equilibrio como accionada. Como podemos observar, en la posición de equilibrio, la placa de conmutación está "presionada" contra la superficie de conexión. Esta fuerza asegura la estanquidad pero a la vez somete a la placa a una considerable fuerza de rozamiento. Esta fuerza deberá superarse con la que ejerza el lado activo del carretel. 2
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FIGURA 11.17 - ESQUEMA DE UNA VALVULA 3/2 NC DE DESLIZAMIENTO PLANO.
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Con el mismo criterio que armamos esta válvula, podríamos construir una NA, para ello bastará con desplazar el orificio (2) del otro lado del orificio (3).
11.2.2.2) Válvula de 4 vías 2 posiciones doble piloto neumático de desplazamiento plano. Este tipo de ejecución (deslizamiento plano) admite también válvulas de 4 y 5 vías 2 posiciones. Mostramos una construcción 4/2 en la figura 11.18.
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FIGURA 11.18 - ESQUEMA DE UNA VALVULA 4/2 DE DESLIZAMIENTO PLANO.
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Otra vez estamos ante una válvula que condiciona las señales que debe recibir para conmutarse: Si está presente 12 ó (z), no debe existir 14 ó (y). Además la válvula retiene la última orden impartida, aun en el caso que esta haya desaparecido. Esta válvula tiene la función de entregar aire a dos lugares diferentes en forma no simultánea y además cuando entrega aire a uno de esos lugares, conecta el otro al escape (es decir con la atmósfera). Pensemos, ahora, en un actuador neumático de doble efecto, de acción rectilínea o giratoria. Sería interesante vincular estos dos elementos. Despacio!, todo a su tiempo! Tenemos mucho que ver todavía de válvulas.
11.2.3) Válvulas de deslizamiento giratorio.
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Estas válvulas se caracterizan porque la conmutación se produce cuando dos placas en contacto giran una sobre otra haciendo coincidir orificios estratégicamente distribuidos.
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Podrían realizarse así válvulas de 2, 3 y 4 vías en 2 y 3 posiciones.
Generalmente el accionamiento por palanca es el que más se adapta a este tipo de construcción.
Para orientarnos mejor observemos el croquis de una válvula de 4 vías 3 posiciones centro interconectado. Ver figura 11.19. Las posiciones se seleccionan sólo a través de la palanca .
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La forma de lograr las conexiones está mostrada en la figura 1.20. Apreciamos allí que en una de las placas están los orificios, colocados a 90º entre sí, mientras que la otra presenta por el lado interior ranuras circulares de distinta longitud. Estas ranuras, gobernadas por la palanca exterior, adoptan distintas posiciones y con ellas las conexiones mostradas.
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FIGURA 11.20- ESQUEMA DE UNA VALVULA4/3 C.l. Y DE UNA 4/3 C.C. ACCIONADA POR PALANCA.
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FIGURA 11.19 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 4/3 C.l. A ESCAPE Y DE DESLIZAMIENTO GIRATORIO.
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11.3) VALVULAS DE ASIENTO. TIPOS DE CONSTRUCCION. Este tipo de válvulas se caracteriza por hacer sus cierres en forma frontal.
Según la geometría del elemento de cierre, se clasifican en:
11.3.1) Válvulas de asiento esférico. 11.3.2) Válvulas de asiento plano. 11.3.3) Válvulas de asiento cónico Prácticamente el primero de los grupos corresponde a construcciones muy rudimentarias, aunque nos valdremos de ellas para introducirnos en el estudio de su funcionamiento. No obstante es necesario echar un vistazo a los principios usados en la construcción de los otros tipos de válvulas.
La figura 11.21 nos muestra como se realiza el cierre en válvulas de asiento plano en donde la presión trabaja en contra del cerramiento (este habrá de mantenerse por medio de un resorte). El movimiento de apertura consiste en retirar el elemento portador del asiento de cierre.
FIGURA 11.21 - PRINCIPIOS BASICOS DE CONSTRUCCION DE VALVULAS DE ASIENTO PLANO
Otros cierres, para estas válvulas de asiento, se representan en la figura 11.22. Allí se muestran un asiento plano con presión trabajando a favor del mismo y un asiento cónico doble que da versatilidad a la válvula, pues realiza dos cierres (y aperturas), uno inferior y otro superior.
FIGURA 11.22 - CROQUIS DE UN ASIENTO PLANO Y DE UN ASIENTO CONICO.
Los materiales con que deben elaborarse estos sellos deben ser cuidadosamente elegidos pues están sometidos a un intenso trabajo de fatiga.
11.3.1) Válvulas de asiento esférico. Se denominan así aquellas que utilizan un elemento esférico como medio para cerrar (o abrir) el pasaje del fluido.
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1
Como en el caso de las válvulas de deslizamiento, encontraremos válvulas de distinta complejidad. Veamos los siguientes ejemplos:
11.3.1.1) Válvula de 2 vías dos posiciones normal cerrada accionada por palpador y recuperada por resorte. Ver figura 11.23.
~ FIGURA 11.23 ESQUEMA DE UNA VALVULA 2/2 NC DE ASIENTO ESFERICO.
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Cuando la válvula está en su posición de reposo, el aire no puede pasar y la utilización está aislada. Al accionar el palpador, éste penetra apartando la bola de su asiento y permitiendo la conexión (1) con (2).
11.3.1.2) Válvulas de 3 vías, 2 posiciones, normal cerrada accionada por palpador y recuperada por resorte. El croquis de la figura 9.24 nos muestra la válvula que responde a esa descripción, en un caso desaccionada y en el otro accionada. Como podemos apreciar, la diferencia con la anterior consiste en que se ha practicado un orificio longitudinal al palpador para conseguir la canalización de escape.
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FIGURA 11.24 ESQUEMA DE UNA VALVULA 3/2 NC DE ASIENTO ESFERICO.
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11.3.2} Válvulas de asiento plano. Como vimos, se denominan así aquellas válvulas en que el cierre se efectúa por medio de un elemento plano. Este elemento es generalmente elástico (Ver figuras 11.21 y 11.22).
11.3.2.1} Válvula de 3 vías, 2 posiciones, normal cerrada, accionada por palpador y retornada por resorte.
La construcción de esta válvula de asiento plano, sigue los lineamientos generales de la 3/2 de asiento esférico. Prácticamente se ha reemplazado la bola por un elemento cuyo asiento es totalmente plano en la zona de contacto.
La figura 11.25 nos muestra estos reemplazos y su funcionamiento.
FIGURA 11.25 - ESQUEMA DE UNA VALVULA 3/2 NC DE ASIENTO PLANO.
En la posición de reposo la presión está bloqueada y la utilización a escape. Observamos que el escape, esta vez, se realiza por una canalización que puede recibir un roscado. Aquí cabe, entonces, la posibilidad de instalar un silenciador. En la posición accionada la presión pasa hacia la utilización y es el escape quien está bloqueado.
11.3.2.2} Válvula de 3 vías, 2 posiciones, normal abierta, accionada por palpador y retornada por resorte.
La figura 11.26 nos presenta un esquema de una válvula 3/2 NA en la que los cierres también son planos en la zona de contacto. Arriba está en equilibrio (1 con 2) y abajo accionada (2 con 3).
170
5
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FIGURA 11.26 - ESQUEMA DE UNA VALVULA 3/2 NA DE ASIENTO PLANO.
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Como podemos apreciar la válvula responde a la descripción de una 3/2 NA. En los dos casos anteriores es claro observar que la fuerza necesaria para el accionamiento de la válvula debe superar, por un lado, la fuerza del resorte y por el otro la que proviene de la presión que actúa sobre el área útil del asiento (Ya explicamos este caso cuando vimos la figura 11.22).
11.3.2.3) Ejemplos de válvulas reales. Siempre es útil conocer el aspecto que presenta una válvula real. Hemos incluido aquí algunas que nos pueden servir de claro ejemplo.
11.3.2.3.1) Válvula 3/2 NC de asiento plano y escape no canalizable accionada por palpador. La figura 11.27 nos permite observar un corte de una válvula tanto en su posición de reposo como accionada. 2
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FIGURA 11.27 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 3/2 NC DE ASIENTO PLANO.
El accionamiento de esta válvula es por palpador, sin embargo, los fabricantes han ingeniado distintos montajes para adaptarle y conseguir así múltiples accionamientos mecánicos utilizando esta válvula como base.
11.3.2.3.2) Válvula 3/2 NC de asiento plano y escape no canalizable. La descripción de esta válvula es similar a la anterior. La diferencia consiste en que, por su diseño, es más compacta. La figura 11.28 da cuenta de ello.
171
Los accionamientos mecánicos que pueden adaptarse a esta válvula, también son múltiples.
1
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FIGURA 11.28 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 3/2 NC DE ASIENTO PLANO.
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11.3.2.3.3) Válvula 3/2 NC de asiento plano y escape no canalizable. A medida que vamos presentando distintas ejecuciones advertimos que los tamaños van decreciendo. Esto se debe a los diseños cada vez más compactos. Observando la figura 11.29 advertimos que las conexiones vienen incorporadas en la válvula pues su tamaño es bastante reducido.
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FIGURA 11.29 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 3/2 NC DE ASIENTO PLANO. Al igual que en los casos anteriores, esta vista corresponde a la válvula base sobre la cual pueden adaptarse distintos accionamientos musculares o mecánicos.
11.3.2.3.4) Válvula 3/2 NC (NA) de asiento plano y escape canalizable. Estamos ya en presencia de una válvula más elaborada. Su diseño permite conexiones como NC ó NA. Esta situación podemos observarla en la figura 11.30.
~ 1
3
172
FIGURA 11.30 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA NC (NA) DE ASIENTO PLANO.
1
11.3.2.3.5) Válvula 3/2 NC de asiento cónico accionada por palanca,
2
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Esta válvula, por sus características de construcción, resulta muy útil como "llave principal" en la alimentación de circuitos. Frecuentemente se la instala después de la unidad de preparación. Su construcción sencilla contribuye a su confiabilidad. La figura 11.31 nos muestra la válvula ya accionada y por tanto mostrando la conexión de la presión (1) con la utilización (2).
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FIGURA 11.31 - VISTA DE UNA VALVULA 3/2 NC DE ASIENTO CONICO Y ACCIONAMIENTO MANUAL.
11.3.2.4) Otras formas de accionamiento aplicadas a las válvulas de asiento. 11.3.2.4.1) Válvula 3/2 accionada neumáticamente en forma directa por presión y recuperada por resorte. El caso lo muestra la figura 11.32. Se aprecia aquí que el extremo derecho del vástago fue transformado en un pistón. El esfuerzo que antes era mecánico se reemplaza ahora por el que ejerce la presión sobre el área útil del pistón.
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FIGURA 11.32 ESQUEMA DE UNA VALYULA 3/2 NC ACCIONADA NEUMATICAMENTE.
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Aquí se pone de manifiesto que será necesaria una presión mínima para vencer las fuerzas que permiten ia conmutación, esta presión se conoce como "Umbral de pilotaje".
173
Será necesario entonces cuidar este detalle para el correcto funcionamiento de la válvula comprobando si la presión de pilotaje tiene energía suficiente.
11.3.2.4.2) Válvula 3/2 NC accionada electromagnéticamente y recuperada por resorte. La corriente que circula por la bobina indicada en la figura 11.33 produce un campo magnético capaz de desplazar el núcleo permitiendo la circulación del aire comprimido desde (1) hacia (2) e inhabilitando (3). Al interrumpirse la corriente se retoma a la posición inicial.
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3
FIGURA 11.33 - ESQUEMA DE UNA VALVULA 3/2 NC ACCIONADA ELECTRICAMENTE EN FORMA DIRECTA.
Debido a que agrandar el orificio de pasaje implicaría hacer una bobina más grande, estas válvulas suelen construirse para caudales pequeños y se acostumbra a utilizarlas como válvulas auxiliares.
11.3.2.5) Otros ejemplos de válvulas reales. Quizás ahora que tenemos una idea más acabada sobre la construcción de una válvula, podamos apreciar con más detalle las vistas en corte que detallamos a continuación. Todas corresponden a válvulas cuyo accionamiento es electromagnético y aplicado directamente al elemento de conmutación.
11.3.2.5.1) Válvula 3/2 NC (NA) accionada electromagnéticamente y retornada por resorte. Esta válvula (ver figura 11.34) permite ser conectada como NC o como NA, intercambiando simplemente la conexión de presión con la de escape, es decir (1) con (3) (Ya hemos visto, al principio, algunos casos similares). Con algunos cambios en la estructura, esta válvula, igual que la que viéramos en la figura 11.32, puede transformarse en otra con accionamiento neumático y retorno por resorte. FIGURA 11.34 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 3/2 NC (NA) ACCIONADA ELECTROMAGNETICAMENTE Y RETORNADA POR RESORTE.
174
• En realidad esta válvula nos permite 6 funciones en cuanto a su conexión(3), la figura 11.35 da cuenta de
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ello.
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FIGURA 11.35 - POSIBILIDADES DE CONEXION DE LA VALVULA DE LA FIGURA 11.34. 1E
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11.3.2.5.2) Válvula de 4/2 accionada electromagnéticamente y reposición por resorte. Esta válvula combina dos válvulas 3/2, una NC y otra NA, ambas accionadas simultáneamente por acción electromagnética y alojadas en un sólo cuerpo. La figura 11.36 nos permite observar su sencilla construcción ya que las piezas internas de la válvula son iguales. Efectivamente, el diseño que tiene, permite una mayor estandarización, disminuyendo el número de partes y facilitando su construcción( 4 ).
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FIGURA 11.36 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 4/2 ACCIONADA ELECTROMAGNETICAMENTE Y CON RETORNO POR RESORTE
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11.3.2.5.3) Válvula de 2/2 con acción electromagnética y retorno por resorte.
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Otra de las válvulas cuya sencilla construcción ha permitido su enorme difusión es la que mostramos en la figura 11.37.
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Observando el corte, puede deducirse que la presión favorece el cierre pues el lado de mayor presión está por encima del elemento de obturación.
Esta válvula no solamente se utiliza para permitir el paso de aire comprimido sino que también puede
175
usarse para otros fluidos como por ejemplo vapor, agua, aceite. etc. Puede utilizarse también para vacíe (Conectándolo en P2). 2
FIGURA 11.37 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 2/2 NC ACCIONADA ELECTROMAGNETICAMENTE Y CON RETORNO POR RESORTE
11.4)VALVULAS DE CONSTRUCCION HIBRIDA. Este grupo de válvulas tiene su origen en la tendencia natural que existe, de ir mejorando los medios con que contamos. Cada una de las válvulas vistas, ya sean de deslizamiento o de asiento cumplen una función. Esta función puede extenderse incorporando en la válvula, objeto de nuestro estudio, alguna modificación. Las modificaciones que han dado buenos resultados pueden clasificarse en dos grupos: el primero es el grupo que introduce modificaciones geométricas, achicando o agrandando algunas dimensiones. El segundo es el que incorpora modificaciones funcionales, como por ejemplo la colocación de una válvula pequeña, que por lo común hace las veces de transductor, cambiando la esencia de la señal (casi siempre de eléctrica a neumática). Creemos oportuno presentar algunas construcciones de primer o segundo grupo basadas en los criterios de construcción anteriores.
11.4.1) Válvulas que tienen su origen en las de deslizamiento. 11.4.1.1) Generadas por modificaciones geométricas. 11.4.1.1.1) Válvula de 5 vías, 2 posiciones y doble piloto neumático. Una interesante ejecución de 5 vías, 2 posiciones de accionamiento neumático y retorno mecánico neumático, es la que podemos observar en la figura 11.38. Aquí el desplazamiento interno se encuentra reducido sensiblemente. Esta reducción obedece, fundamentalmente, a que la conmutación propiamente dicha se realiza con el principio de las válvulas de asiento. Observamos, además, que los elementos que realizan el cierre están libres
176
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de rozamiento. Todo parecería indicar que se trata de una válvula de larga vida útil, aunque es necesario advercir que su construcción no es demasiado sencilla. Las características que vimos para la 5/2 se repiten también para esta válvula.
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FIGURA 11.38 ESQUEMA DE UNA VALVULA 5/2 DE CONSTRUCCION HIBRIDA ASIENTO DESLIZAMIENTO.
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11.4.1.2) Generadas por incorporación de modificaciones funcionales. 11.4.1.2.1) Válvula 3/2 NC de gran caudal, pilotada. e:~
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Esta válvula presenta una muestra exacta de una modificación funcional.
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Advertimos una válvula 3/2 NC de gran tamaño que recibe las conexiones. Por la parte superior y adosada a ella, (ver figura 11.39) vemos otra válvula 3/2 NC más pequeña. La función de esta última es "ayudar" en la conmutación de la más grande o principal. 2
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FIGURA 11.39 VALVULA 3/2 NC DE GRAN CAUDAL PILOTADA, VISTA EN CORTE.
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Veamos, si quisiéramos conmutar por aplicación directa de un solenoide la válvula principal, este debería ser lo suficientemente grande como para generar un campo magnético capaz de superar la fuerza de cierre en el momento propio de la conmutación o durante el mantenimiento del accionamiento. Con la incorporación de la válvula secundaria 3/2 NC de accionamiento electromagnético, de pequeñas dimensiones, alimentada por una derivación de la presión principal, conseguimos hacer la conmutación de esta válvula sin inconvenientes, ahorrando espacio y energía(51.
177
11.4.1.2.2) Válvulas de 5/2 pilotadas, retorno neumático-mecánico por resorte. El criterio que priva en todas las vistas de las válvulas que presentaremos es el de producir la conmutación en forma indirecta o pilotada, pero electroneumáticamente. La figura 11.40 presenta una válvula 5/2 de construcción muy interesante por su diseño compacto.
4
2 4
1
FIGURA 11.40- VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 5/2 DE ACCIONAMIENTO ELECTRONEUMATICO Y MANUAL.
Siempre que sepamos que una válvula es pilotada debemos estudiar como se alimenta la válvula secundaria. Existen dos formas: interna o externa. La interna siempre se hace a través de una canalización (fija o móvil) mientras que la externa suele tener y mostrar su propia conexión. En la figura observamos que la alimentación de la válvula secundaria se realiza a través de una canalización móvil practicada longitudinalmente sobre el mismo carretel. Cuando el solenoide es energizado el núcleo descubre un orificio central (en el extremo derecho del carretel) produciendo la conmutación de la válvula principal (advirtamos que los orificios de escape están perpendiculares al plano del dibujo y por la parte trasera). Es muy útil, muchas veces, tener la oportunidad de comprobar el funcionamiento de la válvula en forma manual. Esto es posible gracias a otra pequeñísima válvula 2/2 NC instalada en la parte superior del cuerpo principal. Idénticas consideraciones pueden realizarse sobre la válvula de la figura 11.41.
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FIGURA 11.41 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 5/2 DE ACCIONAMIENTO ELECTRONEUMATICO Y MANUAL. Similar a las anteriores. En esencia, la válvula 5/2 de la figura 11.42 tiene sólo como diferencia su retorno neumático(6l. El retorno neumático reemplaza al resorte de reposición y se produce a través de una canalización interna similar a la que abastece la válvula secundaria.
178
Cabe aclarar también que su montaje se realiza mediante una placa base que toma las conexiones. =ión
La figura 11.43 muestra que en este tipo de válvulas también está presente el "sello metálico".
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~: FIGURA 11.42 VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 5/2 PILOTADA CON RETORNO NEUMATICO.
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FIGURA 11.43 VISTA EN CORTE DE UNA 5/2 PILOTADA CON SELLO MET ALIGO.
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Las figuras 11.44, 11.45 y 11.46 muestran válvulas de 5 vías, 2 y 3 posiciones todas pilotadas en ambos sentidos pero de distintas ejecuciones. Las presentamos con la sola intención de informar de su existencia.
•
2 4
FIGURA 11.44 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 5/2 "DOBLE SOLENOIDE" PILOTADA CON ACCIONAMIENTO MANUAL DE VERIFICACION.
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FIGURA 11.45 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 5/2 "DOBLE SOLENOIDE" PILOTADA CON ACCIONAMIENTO MANUAL DE VERIFICACION.
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FIGURA 11.46- VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA 5/3 "DOBLE SOLENOIDE" PILOTADA.
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11.4.2) Válvulas que tienen su origen en las de asiento. 11.4.2.1) Generadas por modificaciones funcionales. En realidad las válvulas de este grupo se confunden con las del grupo 11.4.1.1 pues en realidad las de deslizamiento tendieron a ser de asiento. Podríamos imaginar la situación inversa y llegaríamos a las mismas válvulas.
11.4.2.2) Generadas por la incorporación de modificaciones funcionales. El objetivo que se persigue aquí es facilitar la operación, en cuanto a la fuerza de accionamiento se refiere, de las válvulas de asiento. Prácticamente la técnica apunta directamente a la incorporación de válvulas secundarias pequeñas, fáciles de actuar, y capitalizar el producto de estas para el accionamiento de las principales. Estas válvulas, muy útiles en su momento, fueron principalmente utilizadas para emitir señales neumáticas. Especialmente sensibles se usaron para tareas delicadas. Actualmente su utilización es escasa pues la detección magnética las ha desplazado. Los sensores magnéticos del tipo "Reed" o de estado sólido, se han impuesto rápidamente pues son livianos, prácticos y de un costo específico muy reducido.
180
LLAMADAS AL CAPITULO IX. (1) - Este primer grupo de válvulas es el más numeroso. Se lo suele identificar también como: "válvulas distribuidoras" o "válvulas de vías". Nosotros preferimos la denominación de ''válvulas direccionales" pues su funcionamiento atañe más a controlar su dirección que a una simple e indiscriminada distribución. (2) - De hecho, cuando se trata de prestaciones de la válvula en ámbitos exigentes, en cuanto a temperatura se refiere, el sello metálico es la única alternativa válida, pues en los sellos elásticos, la corrosión o deterioro aumenta en proporción directa con lo alejada que esté la temperatura de trabajo de la temperatura media: (20ºC) especificada por la válvula. (3)- La versatilidad de esta válvula permite 6 funciones que a su vez permiten "armar" cualquier otra válvula además de materializar otras tantas compuertas lógicas: Veamos algunos ejemplos.
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En realidad el aspecto práctico de estos montajes es muy discutible, sobre todo desde el punto de vista económico, simplemente lo presentamos con el objeto de hacerles saber los recursos con los que podrían contar. En el capítulo 12 veremos algunas aplicaciones de estas funciones. (4)- Estas válvulas no son exactamente de asiento plano sino más bien de asiento cónico. La diferencia conceptual entre uno y otro caso es ínfima, motivo por el cual las presentamos dentro de las de asiento plano. Cuando la presión de la válvula principal, o auxiliar, como en este caso, abastece también la válvula piloto, deben tomarse ciertas precauciones: 1º) Conocer cual es el nivel mínimo de presión que admite la válvula según el fabricante. 2º) considerar la frecuencia admitida en función del caudal de circulación. (5) - Las válvulas que recuperan automáticamente su posición, se las conoce también con el nombre de MONOESTABLES. Las que, en cambio, mantienen su posición después de haber efectuado su conmutación se los conoce como BIESTABLES. (6)- Las válvulas con retorno neumático tienen menos piezas móviles y son más confiables, en tanto y en cuanto la provisión de aire esté asegurada. Sin embargo la frecuencia de conmutación suele ser más importante cuando la reposición es a resorte. Lo ideal en estos casos es la combinación de ambos.
181
-"' CAPITULO X 1O) SIMBOLOGIA OBJETIVO DIDACTICO: Que el lector conozca la simbología que se utiliza en la técnica neumática y conseguir que pueda reconocer la función de cada símbolo.
10.1) SIMBOLOS PARA REPRESENTACION DE ELEMENTOS DE LA TECNICA NEUMATICA. Con el objeto de transmitir adecuadamente la técnica neumática hemos pensado en preparar al lector en el "idioma" que habrá de utilizar de ahora en más. Es muy cierto que ya hemos visto algunos elementos sin hacer referencia en absoluto a su símbolo pero los hemos evitado, exprofeso, con el propósito de no distraerlo de los objetivos que nos habíamos fijado. Lo cierto es que a partir de aquí, no sólo recapitularemos sobre lo visto sino que nos adelantaremos un poco para que se pueda entender con mayor facilidad lo que sigue. Nos referiremos, para el estudio de los símbolos, a la norma JIS0125 que tiene su origen en la DI N-ISO 1219 y esta a su vez en la DIN 24.300. Así tenemos:
10.1.1) Símbolos para la transmisión de la energía: Alimentación de presión
01----
Conducto de trabajo
Conducto de comando (señales)
•••
Conducto de escape
1111111
Conducto flexible
.....
Conexiones
+-L
Salto (sin conexión)
++
Purga de aire en la conducción
lJ 141
_.
Escape de válvula sin posibilidades de canalización Escape de válvula con posibilidades de canalización (orificio roscado)
X
Interrupción del conducto
Conexión de conductos
)1(
Conexión de conductos con acople rápido
Conexión de conductos con válvula de retención incorporada
) \
Conducto desconectado sin retención
Conducto desconectado con retención
Conexión rotativa con una canalización de pasaje
Conexión rotativa con dos canalizaciones de pasaje
Silenciador
142
e e
_.
Acumulador de aire comprimido
-o-
Filtro
-<>--
Separador de condensado de acción manual
~
Separador de condensado automático
~
Montaje combinado de filtro y separador
-+
Secador
~
Lubricador
-o-
Representación simplificada de la unidad de preparación
Refrigerador (Las flechas siguen el sentido de la transmisión del calor)
143
---
J
10.1.2) Símbolos de transfonn&ción de energía
Compresor
Bomba de vacío
Motor neumático de caudal constante con rotación unidireccional
Motor neumático de caudal variable con rotación bidireccional
Motor neumático con rotación limitada
5
Cilindro de simple efecto, retorno mediante fuerza externa
111
Cilindro de simple efecto, retorno mediante resorte
11~/v\~
111
Cilindro de doble efecto con eje simple
11
Cilindro de doble efecto con eje pasante
144
Cilindro de doble efecto con amortiguación final de carrera. regulable en los dos sentidos Cilindro telescópico de simple efecto, retorno mediante fuerza extema
Lú ;
j
1
Cilindro telescópico de doble efecto
Amplificador de presión con fluido gaseoso
~
ID y
Amplificador de presión con fluidos diferentes (gas-1íqu1do)
~
[]]
Convertidor de presión (aire liquido)
Ql;l
f
Después de un repaso minucioso de lo anterior podemos asoctar los símbolos de los elementos ya vistos, sin que surjan inconvenientes de ninguna clase.
10.1.3) V61vulas neum6ticas Antes de colocar una lista de símbolos que podrían no tener mucho significado, ensayemos una explicación. Las válvulas neumáticas se dividen para su estudio en 4 grupos: 10.1.3.1) Válvulas direccionales (también llamadas distribuidoras o de vías) 10.1.3.2) Válvulas de bloqueo 10.1.3.3) Válvulas reguladoras de caudal 10.1.3.4) Válvulas reguladoras de presión
En general para cualquiera de las formas mencionadas, una válvula se representa por un cuadrado:
D 145
FIGURA 10.01 - CUADRADO BASE PARA EL DIBUJO DEL SIMBOLO DE UNA VALVULA
A partir de él elaboraremos distintos símbolos según el grupo de que se trate.
10.1.3.1) Válvulas direccionales La función de estas válvulas es permitir, orientar o detener un flujo de aire (En la forma: todo-nada). Nuestro propósito es conseguir una representación simbólica válida, para las válvulas de este grupo. Es necesario entonces tomar en consideración algunas precauciones. Cada símbolo representativo de una válvula (o sea cada cuadrado) estará acondicionado a ciertos elementos. Estos pueden ser internos y externos. Entre los internos encontramos canalizaciones capaces de permitir la circulación del aire: el sentido de esa circulación se señala con flechas. Ver figura 10.02
-_ev FIGURA 10.02- REPRESENTACION DE LAS CANALIZACIONES INTERNAS DE UNA VALVULA
Existen canalizaciones "doble mano", obturaciones y conexiones internas, como puede observarse. Entre los elementos externos encontramos puntos de conexión que se utilizan de distintas formas: En la parte "inferior" se conectan el suministro de presión y los escapes a la atmósfera. En la superior se conectan las utilizaciones.
xs~
La figura 10.03 muestra un ejemplo:
E-,... FIGURA 1 0.. 03 DENOMINACION DE LAS CONEXIONES EXTERNAS DE UNAVALVULA
1 • (P)
3 (R)
A los efectos de reconocerlos se identifican con números o con letras y se utilizan de la siguiente forma:
1óp 3, 5 ó R, S 2,4
-
Suministro de presión Escapes Utilización
En definitiva, con estos elementos, tenemos la posibilidad de "armar'' una válvula. Sea por ejemplo:
146
.. S. ,., ~u
• (A) 2 FIGURA 10.04 - RELACION ENTRE LAS CANALIZACIONES INTERNAS Y LAS CONEXIONES "EXTERNAS" DE UNA VALVULA DIRECCIONAL.
Es
3 (R) 1os
esa
LAS ) DE
Conocido el símbolo de una válvula, podemos a partir de él, establecer la cantidad de vías. Se llaman vías de una válvula direccional a la cantidad de puntos de conexión que podemos encontrar recorriéndola perimetralmente. En nuestro ejemplo el número de vías es 3 (tres). Habida cuenta de que una válvula se realiza para tener la posibilidad de efectuar otras conexiones, diferentes a las que hasta ahora indica nuestro símbolo, es necesario mostrarlas de alguna forma. Esta situación se resuelve dibujando, adosado al símbolo existente, otro que muestre cuales son las nuevas conexiones. Por ejemplo:
2 FIGURA 10.05 - SI MBOLO DE UNA VALVULA DONDE SE IDENTIFICAN LAS DOS POSIBILIDADES DE CONEXION QUE PERMITE.
3
Para conocer una válvula con más precisión es necesario conocer el número de posiciones. Se llaman posiciones de una válvula a la cantidad de cuadrados que contiene nuestro símbolo (una vez completo). La denominación de una válvula se hace mencionando primero la cantidad de vías y luego de posiciones. En nuestro ejemplo: se trata de una válvula de 3 vías 2 posiciones. Observación: Si las conexiones (1 ,2 y 3) coincidieran con el cuadrado agregado, el símbolo estaría indicando ''válvula accionada". En ciertos casos existen ambigüedades respecto de la denominación. Por ejemplo: supongamos tener los siguientes símbolos de válvulas:
2
2
mna:
:
1 ..
3
3
FIGURA 10.06- AMBIGÜEDAD QUE SE PRESENTA EN EL CASO DE LAS 3/2.
147
En ambos casos la denominación es 3 vías 2 posiciones y sin embargo las válvulas son distintas. Esta situación se resuelve estudiando que ocurre con la presión cuando la válvula no está accionada, es decir cuando está en su posición normal o de equilibrio. En la válvula de la izquierda la presión está interrumpida mientras que en la de la derecha está permitido o abierto su pasaje. Para eliminar la ambigüedad bastará con señalar esta condición a continuación de las vías y posiciones, es decir: 3 vías 2 posiciones, posición normal cerrada. y 3 vías 2 posiciones, posición normal abierta. o simplemente: 3/2 NC
y
3/2 NA
Con el objeto de establecer un criterio homogéneo, convendremos, a partir de ahora, que la posición normal está siempre a la derecha. Esto naturalmente supone que el sentido de accionamiento se habrá de realizar de izquierda a derecha. Cuando la válvula tiene tres posiciones, las ambigüedades se salvan estudiando que sucede con la posición central, pues esa es la posición normal en este caso. Aquí los accionamientos se dan en los dos sentidos. A continuación, presentamos algunos ejemplos de símbolos de válvulas direccionales:
FH Válvula 2/2 normal cerrada
Válvula 2/2 normal abierta
Válvula 3/2 normal cerrada
Válvula 3/2 normal abierta
148
1
Válvula 4/2 (Esta válvula permite el pasaje de
c1r
da
rrroo
presión en cualquier posición)
~.
Válvula 4/3 con posición central cerrada
lfll!!txt
Válvula 4/3 con posición central abierta
tntHtxt
Válvula 5/2
I~JIJI!I
Válvula 5/3 centro cerrado
IXJI:.:tJI! 1
ór:
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FIGURA 10.07- EJEMPLOS DE SIMBOLOS DE VALVULAS DIRECCIONALES Para materializar completamente una válvula a través de su símbolo, es necesario incorporarle otro que represente la forma en que habrá de ser accionada. Estos accionamientos se dividen en: muscular, mecánicos, eléctricos, neumáticos y combinados. Accionamiento por fuerza muscular. Representación genérica
~
Pulsador unidireccional
aC
Pulsador bidireccional
Palanca
Pedal unidireccional
Pedal bidireccional Accionamientos mecánicos
149
_j
~---------------------------------------------------
·-----
Palpador
Resorte (generalmente usado para reposición o centrado)
Rodillo
Rodillo unidireccional Accionamientos eléctricos Solenoide
Solenoide de acción magnética variable
1(
Accionamientos neumáticos Directo por presión
:e
Directo por depresión
Diferencial
Centrado por presión (aplicable a válvulas de 3 posiciones)
Centrado por resorte (aplicable a válvulas de 3 posiciones)
.---r-r- - - .K.-..L.__
Neumático indirecto por presión
.---~
Neumático indirecto por depresión
--·11..-..L
~ ~
Amplificador de señal Amplificador indirecto por presión Accionamientos combinados Accionamiento electro-neumático indirecto por presión
150
S
~
Accionamiento eléctrico por simple solenoide o neumático por presión~
~
Accionamiento manual o eléctrico Un ejemplo nos puede aclarar su utilización:
Válvula 4/2 accionada por pulsador y retomada a su posición de equilibrio por resorte:
2
FIGURA 10.08 - EJEMPLO DEL SIMBOLO DE UNA VALVULA 4/2 ACCIONADA POR PULSADOR Y RECUPERACION POR RESORTE
4
10.1.3.2) Válvulas de bloqueo La función de estas válvulas es bloquear el pasaje del fluido en una dirección, o permitirlo en determinadas condiciones.
Valvula de retención (antirretorno)
--<)---
Válvula de retención con resorte
~
Válvula de retención pilotada
~
Selector de circuitos
~
Válvula de escape rápido
~~
10.1.3.3) Válvulas de caudal Su función es controlar el caudal de fluido que circula a través de ellas.
Estrechamiento de sección constante
-3E151
j
10.
Estrechamiento de diafragma
Estrechamiento de sección variable
10. Estrechamiento con regulación manual
Estrechamiento con regulación mecánica
Válvula combinada - Reguladora de flujo unidireccional
1~1
10.1.3.4) Válvulas de presión
Estas válvulas permiten controlar el valor de la presión en el fluido.
Válvula !imitadora de presión
Válvula de secuencia
Regulador de presión sin escape
~~ 1 3
Regulador de presión con escape
152
1
11111
10.1.3.5} Válvulas de cierre
-{><}-
Válvulas de cierre (representación simple}
10.1.4} Otros símbolos relacionados con la técnica neumática. 10.1.4.1} Accionamientos mecánicos en general
Eje rotante en un sentido
f
Eje rotante en dos sentidos
€ =:W
Eje con dispositivo de traba
Bloqueo mecánico (* símbolo de accionamiento del
t:lh.
desbloqueo)
rt
Dispositivo mecánico para la interrupción de la señal
V
F
Articulación simple
Articulación desplazable
~
Articulación fija
H
10.1.4.2} Elementos de medición y varios
~
Manómetro Manómetro diferencial
153
Termómetro
Caudalímetro
Volúmetro
Registrador de presión Registrador de temperatura
Registrador de caudal
Indicador óptico Símbolos especiales Sensor de proximidad
1<
Dispositivo - emisor de aire
1·
Dispositivo - receptor de aire
1:
Obturador de fuga Amplificador de presión Amplificador de caudal Transductores de señales Neumo - eléctrico Electroneumático
154
. 1
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Veamos el ejemplo de una válvula 3/2 pilotada con baja presión.
2
4
FIGURA 10.09- EJEMPLO DEL SIMBOLO DE UNA VALVULA 3/2 NC ACCIONADA POR BAJA PRESION.
X
10.2) OBSERVACIONES GENERALES El correcto uso de los símbolos es como el correcto uso del idioma: sirve para expresarse con mayor precisión y claridad. Tomemos debida nota de la simbología presentada y practiquémosla en forma intensiva, sólo así lograremos un dominio que nos servirá más adelante para interpretar los circuitos con mayor claridad. Asumiremos en todo el texto que: 1) Las válvulas se accionan de izquierda a derecha. 2) Las dibujaremos siempre en forma horizontal. 3) Que su posición inicial es la que le corresponde mecánicamente una vez instalada, pero sin alimentación de aire comprimido.
155
CAPITULO XII VALVULAS NEUMATICAS GRUPOS: DE BLOQUEO, CAUDAL, PRESION Y CIERRE OBJETIVOS DIDACTICOS: A) Que el lector conozca las válvulas que habrán de complementar a las ya vistas. Conseguir su aplicación en ejemplos sencillos que integren al grupo anterior.
1) INTRODUCCION. En el capítulo anterior vimos el primero de los cinco grupos de válvulas que anunciáramos. Para presentar los grupos restantes es necesario hacer algunas referencias a la asociación de los _...,.,nTr"" de trabajo con las válvulas direccionales.
1.1) Comando de un cilindro de simple efecto. El actuador rectilíneo de simple efecto permite la incorporación de aire comprimido en una sola de las ras. Después de ser entregado, este aire deberá retirarse permitiéndole salir a la atmósfera. De esta forma nuestro actuador habrá realizado su trabajo (en un sentido). Es necesario, para lograr este resultado, asociarlo a una válvula que, cuando esté accionada, haga que comprimido llegue a la cámara en cuestión y cuando no esté accionada permita el escape de ese aire ya
La figura 12.01 muestra una válvula 3/2 NC asociada al actuador.
FIGURA 12.01 - CIRCUITO DE COMANDO DE UN CILINDRO DE SIMPLE EFECTO
Vemos que efectivamente esa válvula satisface nuestra necesidad.
1.2) Comando de un cilindro de doble efecto. Nuestro actuador dispone ahora de dos cámaras: la trasera y la delantera. Es necesario entonces alimentar una de ellas y simultáneamente conectar la otra con la atmósfera.
183
l Esto se consigue asociando al cilindro una válvula 4/2 o una 5/2 La figura 12.02 nos muestra en la parte superior la asociación con la 4/2 mientras que en la parte inferior lo hace con la 5/2.
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12.
(vál FIGURA 12.02 - CIRCUITO DE COMANDO DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO
La prestación, hasta ahora, es la misma para las dos válvulas, la única diferencia no es funcional sino de forma: una de ellas tiene un escape común mientras que la otra presenta un escape para cada cámara. Una observación importante: en todos los casos hemos incorporado a nuestros circuitos elementales una unidad de preparación con el objeto de entregarles aire relativamente limpio.
12.1.3) Comando indirecto de un cilindro de simple efecto. En los dos casos anteriores, el accionamiento de las válvulas mediante su pulsador permite actuar directamente sobre los cilindros. En el caso de la figura 12.03 la situación cambia: el accionamiento provoca una señal neumática que va a dar sobre otra válvula que conmuta al recibirla.
eje de
En este caso el comando es indirecto.
FIGURA 12.03 - CIRCUITO INDIRECTO DE UN CILINDRO DE SIMPLE EFECTO.
Deben destacarse, sin embargo, dos conceptos importantes: 12 ) Se sigue actuando el cilindro de simple efecto con una válvula 3/2 NC. 22 ) La señal anteriormente mencionada se produce también mediante una 3/2 NC. Cabe mencionar que dependiendo de las características del trabajo a realizar puede cambiarse la válvula NC por otra NA. ¿Qué ocurriría en esas nuevas circunstancias?.
0 184
-Al colocar L..r-,a vavu!a NA en el circuito, el circuito de simple efecto se encontrará constantemente en e! vástago extend1do. Al actuaria válvula de botonera haríamos que el vástago entrara, pero atención!, en esta carrera está mcv,c: soia-nente por la fuerza del resorte y no puede realizar trabajo externo.
12.1.4) Comando indirecto de un cilindro de doble efecto. Esencial r-.er~e se ~eproouce la situación anterior con la sola diferencia de que la válvula afectada al cilindro (válvula de comar1001. esta vez deberá ser 4/2 ó 5/2. La figura 12.0.! r:-L.estra un comando indirecto con una 5/2.
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FIGURA 12.04 - CIRCUITO DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO (DE AVANCE Y RETROCESO).
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En este circuito ocurre que, el actuador permitirá la salida de su eje, cuando el botón de la válvula de señal se actúe.
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Es claro observar que, el retroceso del eje sobrevendrá, cuando se suelte el botón que provoca la señal de avance. La señal que actuaba sobre la válvula de comando ha desaparecido y en consecuencia el resorte la ha devuelto a su posición de equilibrio. Es interesante pensar en un mando que permita al eje del cilindro salir con una orden y regresar con otra. En la figura 12.05 tenemos una propuesta que responde a la exigencia planteada: la válvula de comando está doblemente informada.
N Se trata, como lo destacáramos en su oportunidad, de una memoria. Todo ocurre como si la válvula recordara la última orden recibida. Recordemos también que para que la conmutación sea posible es necesario la presencia de un sólo piloto por vez.
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FIGURA 12.05- CIRCUITO INDIRECTO DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO CON SEÑALES INDEPENDIENTES.
ula Así las cosas, analicemos el funcionamiento del circuito.
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Si informamos al piloto 12 (z) con la válvula de
185
' la izquierda, resultará la conmutación de la váivu:¿ de comando. :=::sta cambiará el aire de !a cámara delantera a la trasera del cilindro, provocando la salida del eje. Si soltamos, ahora, esa válvula, la información 12 se pierde y la válvula permanece en esa posición y por consiguiente el eje permanece afuera.
Ese "registro" sólo puede perderse cuando llegue la información 14 (y) , proveniente de la válvula de la derecha. Esta nueva orden recuperará a la válvula a su posición inicial y hará ingresar el eje. Estamos nuevamente como al principio. Ya se habrá percibido que, proyectando las posibilidades que ofrecen los cambios de válvulas o de accionamientos, pueden conseguirse distintas e interesantes combinaciones. Una de ellas podrá ser, avanzar el eje de un cilindro y hacer que este regrese ni bien haya alcanzado su posición final de carrera. Con el objeto de comprobar el funcionamiento, proponemos el circuito que se muestra en la figura 12.06:
FIGURA 12.06- CIRCUITO INDIRECTO DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO CON RETORNO AUTOMATICO.
Notemos que la válvula V1 está accionada por un rodillo y que su posición física en el montaje del circuito está señalada por un pequeño trazo vertical, manteniendo de esta forma, una estructura homogénea en el circuito. El símbolo se ha dibujado a la altura de la otra válvula de señal. Posición física y símbolo se identifican por V1 en este caso.
12.2) VALVULAS DE BLOQUEO. Este grupo de válvulas tiene como función general permitir el paso del fluido siempre que respete ciertas condiciones. Estas condiciones pueden ser: sentido de circulación, presencia de presión, etc.
12.2.1) Válvula de retención. En muchos casos es necesario impedir que el aire que ha circulado en un sentido, lo haga en el contrario.
186
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1
La válvula que permite materializar esa pretensión es la válvula de retención (también conocida como válvula antiretomo) representada esquemáticamente en la figura 12.07.
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Su funcionamiento se comprende en forma inmediata: cuando el aire circula en la dirección izquierda a derecha pasa casi libremente pues desplaza el elemento obturador. Cuando, en cambio, intenta hacerlo en sentido contrario, el obturador impide la circulación.
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)6: Con el objeto de orientar su instalación la válvula suele presentar una flecha que indica el sentido de la libre circulación. De hecho, esta válvula, se instala en lugares donde debe impedirse el retorno del aire, por ejemplo en acumuladores intermedios instalados cerca de las máquinas para garantizar el suministro de aire durante el ciclo, etc.
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10
12.2.2) Válvula selectora de circuitos. Muchas veces es necesario "conducir" una señal por un camino determinado evitando que se derive hacia lugares no deseados.
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Esta posibilidad se consigue con la válvula que representa el croquis de la figura 12.08.
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Cuando la señal viene de la izquierda (X), la bola se desplaza obturando la derivación por la que no queremos conducción. El aire sale entonces por la salida (A).
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FIGURA 12.08- ESQUEMA DE UNA VALVULA SELECTORA DE CIRCUITOS.
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La situación se repite cuando utilizamos entrada (Y). Una aplicación elemental de esta válvula sería la que muestra la figura 12.09.
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FIGURA 12.09- CIRCUITO De APLICACION DE LA VALVULA SELECTORA DE CIRCUITOS.
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En este ejemplo la válvula "selectora de circuitos" permite ordenar la salida del eje del actuador cualquiera sea el pulsador que emita la señal(1l. 1
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12.2.3) Válvula simultaneidad.
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Como en el caso anterior esta válvula debe cubrir una función. Esta es la de atender dos señales e imponerles la condición de existencia simultánea para conseguir así una tercera de salida. Esta función se realiza de dos maneras:
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12.2.3.1) Usando una válvula 3/2 NC con accionamiento neumático y retorno por resorte Las conexiones usadas para procesar las dos señales arriba mencionadas son: (12) y (1). En la figura 12.1 O se muestra un circuito que aclara su conexión y funcionamiento.
FIGURA 12.10- CIRCUITO QUE MUESTRA LA FUNCION DE SIMULTANEIDAD DE UNA VALVULA 3/2 NC. Se advierte claramente que es necesaria la presencia simultánea de las señales promovidas por los pulsadores en las conexiones (1) y (12) para que la válvula de comando se actúe y el eje del cilindro salga.
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La válvula que permite materializar esa pretensión es la válvula de retención (también conocida como válvula antiretorno) representada esquemáticamente en la figura 12.07.
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Con el objeto de orientar su instalación la válvula suele presentar una flecha que indica el sentido de la libre circulación. De hecho, esta válvula, se instala en lugares donde debe impedirse el retorno del aire, por ejemplo en acumuladores intermedios instalados cerca de las máquinas para garantizar el suministro de aire durante el ciclo, etc.
12.2.2} Válvula selectora de circuitos. Muchas veces es necesario "conducir" una señal por un camino determinado evitando que se derive hacia lugares no deseados. Esta posibilidad se consigue con la válvula que representa el croquis de la figura 12.08. Cuando la señal viene de la izquierda (X), la bola se desplaza obturando la derivación por la que no queremos conducción. El aire sale entonces por la salida (A) .
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La situación se repite cuando utilizamos entrada (Y). Una aplicación elemental de esta válvula sería la que muestra la figura 12.09.
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FIGURA 12.09- CIRCUITO DC: APLICACION DE LA VALVULA SELECTORA DE CIRCUITOS.
En este ejemplo la válvula "selectora de circuitos" permite ordenar la salida del eje del actuador cualquiera sea el pulsador que emita la señal(1l.
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12.2.3) Válvula simultaneidad.
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Como en el caso anterior esta válvula debe cubrir una función. Esta es la de atender dos señales e imponerles la condición de existencia simultánea para conseguir así una tercera de salida. Esta función se realiza de dos maneras:
12.2.3.1) Usando una válvula 3/2 NC con accionamiento neumático y retorno por resorte Las conexiones usadas para procesar las dos señales arriba mencionadas son: (12) y (1 ). En la figura 12.1 O se muestra un circuito que aclara su conexión y funcionamiento.
FIGURA 12.10- CIRCUITO QUE MUESTRA LA FUNCION DE SIMULTANEIDAD DE UNA VALVULA 3/2 NC. 1
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Se advierte claramente que es necesaria la presencia simultánea de las señales promovidas por los pulsadores en las conexiones (1) y (12) para que la válvula de comando se actúe y el eje del cilindro salga.
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Si llegara solamente una señal a la válvula en cuestión, ésta no prosperaría y el eje del cilindro no se movería.
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12.2.3.2) Usando la posición relativa de las
válvulas que intervienen. Esta solución es interesante pues la función se realiza a partir de la posición que tienen las válvulas de señal en el circuito. En la figura 12.11 se muestran las válvulas conectadas en serie.
FIGURA 12.11- CIRCUITO QUE MUESTRA LA FUNCION DE SIMULTANEIDAD USANDO DOS VALVULAS 3/2 NC CONECTADAS EN SERIE. Como podemos observar, para lograr que el eje del cilindro salga debemos presionar simultáneamente las dos botoneras.
12.2.4) Válvula de escape rápido. Esta válvula permite, como su nombre lo indica, una rápida evacuación del aire comprimido, ya utilizado, a la atmósfera.
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La figura 12.12 muestra un croquis donde se aprecia su funcionamiento: la presión que ingresa por 1, saldrá por 2 y en su regreso, la que entra por 2 sale indefectiblemente por
3.
La aplicación de esta válvula guarda connotaciones interesantes pues puede utilizarse tanto para aumentar la velocidad normal de un actuador como para obtener un chorro de aire con suficiente energía como para realizar una expulsión. 2 1
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También puede utilizarse para descargar alguna parte del circuito que, por su complejidad, le resulte difícil su evacuación.
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FIGURA 12.12 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA DE ESCAPE RAPIDO. Ejemplo de aplicación: sea el circuito de la figura 12.13.
Cuando se aprieta el pulsador, se conmuta la "válvula de comando" permitiendo el pasaje de presión hacia la entrada 1 de la ''válvula de escape rápido", esta desplaza el elemento interior tapando la salida y orientando el aire hacia 2. La salida 2 da en la cámara del actuador que mueve su vástago hacia adelante. Mientras permanezca el pulsador apretado, el vástago del cilindro se mantendrá extendido, pero cuando se lo suelte, la válvula de comando pondrá en escape la conexión 1 del escape rápido invitando al aire a desandar el camino.
189
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FI-3URA 12.13- CIRCUITO DE APLICACION DE LA VAL VULA DE ESCAPE RAPIDO PARA EL RETORNO VELOZ DEL VASTAGO DEL CILINDRO. En ese intento, y casi instantáneamente, él arrastrará el elemento que tapará 1 y destapará 3 haciendo que el aire, en un corto recorrido, escape a la atmósfera. Esta situación se verá reflejada en el veloz regreso del eje. Cuanto más corto sea el camino que el aire deba recorrer para salir, tanto mayor será la velocidad obtenida. Otra interesante aplicación la constituye el llamado expulsor neumático. Frecuentemente suele ser útil retirar de una línea de producción un elemento que debe ser desechado. Esto puede conseguirse efectuando un sencillo circuito que se muestra en la figura 12.14. La válvula 3/2 NA en su posición de descanso provee constantemente aire a presión que se deposita en un recipiente acumulador. Cuando la válvula recibe en 12 una señal, proveniente de un detector capaz de identificar el elemento a desechar, se conmuta. Esta conmutación activa el escape rápido que descarga el contenido del recipiente acumulador por una conducción conectada a 3. El chorro de aire conseguido permite retirar rápidamente el elemento a desechar.
FIGURA 12.14 - CIRCUITO DE UN EXPULSOR NEUMATICO.
Inteligentemente aplicado, este elemental dispositivo, permitirá ahorrar energía, dado que estaremos usando sólo una determinada cantidad de aire comprimido (que estaría en función del tamaño del acumulador) donde y cuando lo necesitemos, en lugar de un chorro continuo como habitualmente sucede.l 3l
190
~ 12.3) VALVULAS DE REGULACION DE CAUDAL. Este gr..JP.::J de válvulas tiene como función general controlar el caudal que circula por una tubería. Su utilización más ccr;¡ún es el gobierno de la velocidad de los actuadores neumáticos (tanto lineales como rotativos).
12.3.1) Válvula reguladora de caudal bidireccional. Esta várvula es capaz de restringir el caudal tanto en una dirección ccimo en otra. la figura 12.15 nos muestra una eJecUCión de esta válvula. El elemento oclusor, es una aguja asociada a un vástago roscado, gobernable desde el exterior en forma manual. Enroscando o desenroscando este vástago conseguimos aumentar o disminuir la resistencia del paso del fluido y por tanto su caudal. La característica más importante que debería ofrecer esta válvula es su sensibilidad de regulación. Es decir, esta válvula será más apreciada en la medida en que su respuesta de regulación pueda gobernarse con la mayor cantidad de vueltas del tomillo de ajuste.
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FIGURA 12.15 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA REGULADORA DE CAUDAL BIDIRECCIONAL.
Una versión interesante de esta construcción "bidireccional" es la que vemos en la figura 12.16. Si bien es, básicamente, una construcción bidireccional, advertimos claramente que su instalación implica el tratamiento del aire en un sólo sentido y además en su camino de salida a la atmósfera, pasa a través de un cuerpo poroso que hace las veces de silenciador.
FIGURA 12.16 - ESQUEMA DE UN REGULADOR DE FLUJO CON SILENCIADOR INCORPORADO.
12.3.2) Válvula reguladora de caudal unidireccional. Esta válvula surge de la asociación de otras dos: la bidireccional del punto 12.3.1 y la de retención.(4l Efectivamente, en la fig. 12.17 podemos apreciar dichas válvulas compartiendo un sólo cuerpo. Es fácil imaginar que cuando el aire circula de izquierda a derecha, el camino de menor resistencia es el del retén, que al recibir aire en esa dirección deforma los labios hacia adentro permitiendo su pasaje.
191
FIGURA 12.17 - VISTA EN CORTE DE UNA VALVULA REGULABLE DE CAUDAL UNIDIRECCIONAL.
El camino inverso, es decir el de derecho, a izquierda, obliga al aire a pasar por la restriccion regulable gobernada desde el exterior en forma manual. Algunas construcciones de esta naturaleza, presentan trabas exteriores que permiten asegurar la posición de ajuste. Es importante la posición relativa en que puedan instalarse estas válvulas, por este motivo se han diseñado distintas construcciones: de aplicación directa sobre los actuadores, para instalación en línea, con rosca o sin ella, etc. Transcribimos, a continuación, para que el lector pueda tener una idea de las posibilidades a su alcance, algunas figuras que presentan construcciones importantes:
FIGURA 12.18- VISTA EN CORTE DE UN REGULADOR DE CAUDAL UNIDIRECCIONAL PARA APLICAR POR ROSCA.
FIGURA 12.19- ESQUEMA DE UNA VALVULA REGULADORA DE CAUDAL UNIDIRECCIONAL DE APLICACION POR ROSCA Y CONECTOR INCORPORADO.
FIGURA 12.20 - ESQUEMA DE UNA VALVULA REGULADORA DE CAUDAL UNIDIRECCIONAL DE APLICACION POR ROSCA Y CONECTOR INCORPORADO (CURVA)
192
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FIGURA 12.21 - ESQUEMA DE UNA VALVULA REGULADORA DE CAUDAL UNIDIRECCIONAL DE APLICACION EN LINEA POR CONECTORES INCORPORADOS.
0:..; z.ás :es aspectos más importantes de la aplicación de estas válvulas lo constituye la regulación de velocidad ::e ':S ac::Jadcres. Las ;:-::;:..;estas de instalación que a continuación se mencionan es!ár basa::as en la experiencia y tienden a lograr un mejor rendimiento de su aplicación.
12.3.2.1) Control de velocidad para actuadores de simple efecto.
FIGURA 12.22 - CONTROL DE VELOCIDAD DE UN CILINDRO DE SIMPLE EFECTO.
CONTROLA VEL AVANCE
CONTROLA VEL RETROCESO
12.3.2.2) Control de velocidad para actuadores de doble efecto.
FIGURA 12.23- CONTROL DE VELOCIDAD DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO (AVANCE).
FIGURA 12.24 - CONTROL DE VELOCIDAD DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO (RETROCESO).
193
Si se deseara regular velocidades de avance y ret1 oceso sobre un mismo actuador, es válido superponer las soluciones enunciadas.(5l
12.3.2.3) Control de velocidad de actuadores rotativos. 12.3.2.3.1) De giro limitado. FIGURA 12.25 - CONTROL DE VELOCIDAD DE UN ACTUADOR ROTATIVO DE GIRO LIMITADO.
Para ambos sentidos vale la superposición de las soluciones anteriores.
12.3.2.3.2) control de velocidad de motores neumáticos. FIGURA 12.26- CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR NEUMATICO.
Si deseamos regular la velocidad de rotación tanto en un sentido como en el otro en forma independiente, podemos actuar como en el caso anterior. Es decir usando simultáneamente las soluciones anteriores. En muchos casos es necesario someter a un actuador a distintas velocidades sobre su carrera. Esto es posible utilizando una selección de válvulas de caudal puestas en funciones por válvulas direccionales oportunamente informadas.
FIGURA 12.27- CIRCUITO DE CONTROL DE SIETE VELOCIDADES DE AVANCE Y UNA DE RETROCESO DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO.
El circuito recién visto puede ser un buen ejemplo de lo que queremos decir. Con el podemos controlar siete velocidades de avance del actuador y una de retroceso, una vez regulado el sistema. Bastará con mantener activados las válvulas 1, 2 y 3 de acuerdo con la tabla que se transcribe a continuación.
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3
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1
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194
o V1 V2 V3 V4 V5 V6 V?
' 12.4) VALVULAS DE REGULACION DE PRESION La función de este grupo de válvulas es regular o controlar la presión del aire comprimido. En el capítulo VI, vimos ya dos válvulas de este grupo: la válvula de presión reguladora con escape y la válvula de presión reguladora sin escape. Este adelanto fue necesario para no dejar trunco el concepto de preparación del aire comprimido. Agregaremos a las vistas, dos válvulas más que completarán el grupo de las reguladores de presión: son las !imitadoras de presión.
12.4.1) Válvula limitadora de presión propiamente dicha. Esta válvula tiene la responsabilidad de liberar a escape el aire comprimido que supere una presión predeterminada. Cuando la presión aumenta en P, llega un momento en que las fuerzas contra el resorte son tales que separan el tapón de su asiento permitiendo un escape a la atmósfera. Al descender la presión en P, el tapón, por efecto del resorte, cierra la fuga a la atmósfera. Variando la tensión del resorte, conseguimos su apertura a distintos valores de presión. El esquema que a continuación se presenta nos permite entender su funcionamiento. Desde el punto de vista funcional, esta válvula, determina un ''techo" de presión. Podría decirse que funciona como una válvula de seguridad, protegiendo contra la sobrepresión determinadas partes sensibles del circuito.
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FIGURA 12.28 - ESQUEMA DE UNA VALVULA LIMITADORA DE PRESION.
12.4.2) Válvula de Secuencia o Presóstato neumático. De entre todas las válvulas de presión es esta, quizás, la más interesante, pues permite emitir una señal neumática en función de un valor de presión predeterminado. La válvula responsable de esto se presenta en la figura 12.29. El funcionamiento de esta válvula es muy sencillo: la señal de presión creciente se conecta a la entrada 1. Esta presipn afecta el área del diafragma limitado por el orificio de la boquilla. Cuando la fuerza generada supera a la del resorte, la membrana comienza a levantarse, en ese momento el aire comprimido (proveniente de 1) actúa sobre toda el área de la membrana garantizando su apertura aún en el caso de una disminución de la presión. Cuando la fuente de presión desaparece, el aire desanda su camino. En algunos casos será necesario intercalar un escape rápido para lograr una evacuación completa del aire de pilotaje.
195
2
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FIGURA 12.29- ESQUEMA DE UN PRESOSTATO NEUMATICO. Un ejemplo de aplicación habrá de aclarar el panorama. Supongamos tener la necesidad de hacer retroceder el eje de un actuador cuando en la cámara trasera se ha alcanzado una presión de 5 bar. (la presión de la cámara trasera no se alcanza instantáneamente y ésta, además, depende del estado de carga).
Convengamos en que nuestro actuador es de doble efecto y que la señal para el avance se da mediante un pulsador. La figura 12.30 muestra el circuito que responde a nuestra demanda.
FIGURA 12.30- CIRCUITO DEMOSTRATIVO DE LA APLICACION DE UN PRESOSTATO NEUMATICO PARA EL RETORNO DEL EJE DE UN CILINDRO NEUMATICO DE DOBLE EFECTO POR SENSADO DE LA PRESION EN LA CAMARA TRASERA
12.4.3) Comentario sobre la simbología de válvulas de presión. Por su gran similitud estas válvulas suelen ~ confundirse con facilidad. ~ La siguiente es una propuesta para que se recuerden sin problemas. El dibujo muestra las cuatro válvulas de los dos grupos característicos sólo en sus partes comunes. Reguladores de presión sin escape con escape
prop. dicha
Limitadores de presión presóstato
FIGURA 12.31- DIBUJO DE LOS SIMBOLOS- FASE UNO. Si ahora agregamos las utilizaciones y los escapes vemos que: -Las utilizaciones afectan a todas menos a la !imitadora de presión propiamente dicha. -Los escapes afectan solamente a las que las tienen.
196
2
2h --~~ --~
2
FIGURA 12.32- DIBUJO DE LOS SIMBOLOS- FASE DOS Los símbolos se han ido completando pero aún mantienen su parecido. Procedemos ahora a completar la información, para ello nos preguntamos:
9
e a
-¿De dónde obtienen las reguladoras la información que necesitan para su funcionamiento?. Ata: del secundario o salida. -¿ De dónde obtienen las !imitadoras la información que necesitan para su funcionamiento? Rta: del primario o entrada. Completando nuestros símbolos con estos datos y con las indicaciones internas resulta:
2 L.--
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L.--
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FIGURA 12.33 - DIBUJO DE LOS SIMBOLOS - FASE TRES Recordando esta forma de dibujarlos, aprenderemos la forma de reconocerlos.
12.5) OTRAS VALVULAS USADAS PARA AIRE COMPRIMIDO. Existen diversos tipos de ejecuciones, las mostradas en la figura 12.34 e corresponden a válvulas esféricas. Estas tienen la particularidad de ofrecer el pasaje libre con sólo girar la manija 90º.
Esta habilitación rápida no ocasiona problemas cuando el medio es gaseoso. Cuando se conducen líquidos debemos cuidamos del golpe de ariete. FIGURA 12.34- VALVULAS ESFERICAS DE PASAJE TOTAL.
Otra válvula de uso frecuente, aunque no mostrada aquí, es la de diafragma. Al enroscar el robinete, el diafragma va obturando el pasaje hasta interrumpirlo totalmente. En este tipo de válvulas podría hacerse una división: las de apertura proporcional, frecuentemente manuales y las "on-off', es decir, "abiertocerrado". Estas últimas suelen controlarse eléctricamente e incluso, algunas de ellas son de tipo pilotado.
197
::::-
LLAMADAS AL CAPITULO X!l. (1) La válvula selectora de circuitos permite la materialización neumática de la función lógica "O" (or). Para ilustración del lector, esta función se representa por el símbolo y responde a la siguiente ·~abla de verdad". A
B
o o
o
1 1
1
o 1
z o 1 1 1
A-
1-z B-
En ella O (cero) significa ausencia de presión y 1 (uno) significa presencia de presión. Como podemos observar, "Z' tiene presión siempre que existe, por lo menos, presión en una de las entradas. Digamos como dato adicional que esta función puede "mecanizarse" de otra forma (véase conversor en la válvula 3/2 NC (NA) del punto 3.2.5.1 del capítulo anterior. (2) La válvula de simultaneidad permite la materialización neumática de la función lógica "y'' (and). Como en el caso anterior, esta función tiene también un símbolo y una tabla de verdad a la que responde. Ellos son:
o
z o o o
1
1
A
B
o o
o
1 1
1
A& -
z
B-
Aquí "Z" tiene presión siempre que exista presión en las dos entradas. También esta función puede "mecanizarse" a partir de una válvula 3/2 NC. Véase el punto 3.2.5.1 del capítulo anterior. (3) Si pensamos en las pérdidas de aire comprimido y calculamos en base a su cuantificación cual sería el retorno de su inversión, nos sorprenderemos.
,~-
(4) Recurrimos una vez más a la analogía entre la electricidad y la neumática. Una válvula de retención no es otra cosa que un "diodo neumático", y una restricción en un conducto, tiene todas las connotaciones propias de una resistencia (aún en el caso que sea variable). (5) Existen, dependiendo de las válvulas empleadas en el comando del actuador varias posibilidades de ubicación de las válvulas de regulación de caudal. Si la válvula es una 4/2, las válvulas de caudal pueden estar entre este y el cilindro. Cabe la posibilidad de colocar una restricción en el escape de la 4/2 pero deberá observarse que en esta forma no habrá independencia del control de los movimientos de avance y retroceso. Sólo con la 5/2 podemos evitar este problema pues tiene dos escapes, uno para cada cámara independientemente. De todos modos, la práctica aconseja instalar los reguladores de velocidad lo más cerca posible del actuador.
198
CAPITULO XIII 13) VALVULAS COMPUESTAS OBJETIVOS DIDACTICOS: Que el lector conozca algunas composiciones que se logran combinando válvulas simples y comprenda su funcionamiento.
13.1) INTRODUCCION Este capítulo está destinado a demostrar que, con ciertas asociaciones de válvulas, pueden conseguirse funciones diferentes a las que tienen individualmente cada una de ellas. En realidad cada agrupación no deja de ser un circuito específico diseñado para esa función, pero atendiendo a su uso frecuente y a la tendencia de integración que existe, hemos considerado oportuno hacer algunas menciones especiales.
13.2) TEMPORIZADORES En muchas ocasiones es necesario demorar una señal que circula en dirección a su destino. Esa demora se consigue con un temporizador. Básicamente un temporizador consiste en una válvula reguladora de caudal unidireccional, una capacidad neumática (acumulador) y una válvula 3/2 NC. Simbólicamente sería:
FIGURA 13.01 - SIMBOLO DE UN TEMPORIZADOR NEUMATICO.
El funcionamiento se basa en una característica que enunciáramos en su oportunidad al ver válvulas direccionales: el umbral de pilotaje (Capítulo XI). Consiste en la necesidad de alcanzar una determinada presión de pilotaje para que se conmute la válvula. La señal que queremos demorar se conecta en 12(Z), es decir a la entrada de nuestro regulador unidireccional de caudal. Este, además de la disminución del caudal circulante, hará caer la presión que se irá "juntando" en el pequeño acumulador hasta conseguir la del umbral de pilotaje.
El tiempo que se tardó en "juntar" la presión de umbral es la demora que hemos ocasionado a nuestra señal en cuestión. Cabe mencionar que la variación de dicho tiempo está en función de dos parámetros P>. (1) La restricción.
199
(2) El volumen del acumulador. A mayor restricción mayor tiempo, a mayor volumen, mayor tiempo también. Atentos a la integración que mencionáramos al principio, presentamos en la figura 13.02 un temporizador. La señal a demorar la conectamos en 12(Z), su conexión se reanuda desde 2(A) hacia el destino previsto.
FIGURA 13.02- VISTA EN CORTE DE UN TEMPORIZADOR NEUMATICO CON CONEXION PARA EL TANQUE SUPLEMENTARIO Y VALVULA DE ESCAPE RAPIDO. 12
Como observación adicional diremos que así como podemos pensar en un temporizador que demora la aparición de una señal (3/2 NC), también podemos pensar en un temporizador que demore la desaparición de una señal. Esto se consigue muy fácilmente, basta con asociar al mecanismo anteriormente descrito una válvula 3/2 NA. Procedemos ahora, con un ejemplo, para aclarar el funcionamiento de un temporizador (o el conjunto de sus válvulas equivalentes). Ejemplo: Un actuador debe hacer avanzar su eje mediante la señal de un pulsador. El retorno del eje, debe verificarse después de 15 segundos de alcanzado el final de carrera. Uno de los circuitos que responde, como solución, a este enunciado es:(2l
FIGURA 13.03 - CIRCUITO CON APLICACION DE UN TEMPORIZADOR NEUMATICO.
Al salir el eje, acción promovida por el pulsador, aprieta en su final de carrera la válvula de accionamiento mecánico que provoca una señal que, en lugar de ir directamente al 14(Z) (regreso inmediato) lo hace al 12 del conjunto temporizador. Este (previamente regulado) después de los 15 segundos genera una señal que habrá de dar en el piloto 14 provocando la conmutación de la válvula de comando y por consiguiente el regreso del eje. Atentos a que distintos fabricantes han integrado varias funciones en un sólo bloque en formas muy diferentes, hemos creído conveniente desmenuzar algunas de ellas con el fin de aclarar su funcionamiento y también dar a conocer la posibilidad de armar con válvulas simples estas funciones.
200
13.3) GENERADOR DE IMPULSOS. Se trata de un rr.ontaje capaz de emitir señales que se repiten en e! tiempo con frecuencic. controlable. Una combinación interesante la constituye un conjunto de dos reguladores de caudal unidireccionales, una 3/ 2 NC y una 3/2 NA, ambas de comando neumático. La esencia del montaje está en que la señal que emite cada válvula, además de ir hacia su destino final, informa el pilotaje de la otra. Esta información suele "demorarse" aplicando los reguladores de caudal( 3>. Esos reguladores nos permiten controlar la frecuencia de aparición de la señal. El montaje mencionado responde al siguiente esquema:
FIGURA 13.04 - CIRCUITO DE UN GENERADOR DE IMPULSOS.
Otro montaje que ofrece el mismo resultado es el que presentamos en la figura 13.05
¡-------4,--~
, ; 1 1
-4
.!,2
1
:
5
3
1 1 1 - - - - 1
---------,
~~;
1
• - - - - - _,
rt+rn,
~~
1 1
1
1 :
1_----- .!,2_~'!..------ ~ 1
FIGURA 13.05- OTRO CIRCUITO PARA UN GENERADOR DE IMPULSOS Suponemos que las válvulas tienen la posición dibujada. En estas condiciones el aire, habilitado sólo para la memoria superior, alimenta la línea 4 y simultáneamente, a través del regulador de flujo, el piloto 12 de la memoria inferior. Dando una señal en la entrada de presión 1 de la memoria inferior, esta progresará hasta el piloto 12 de la memoria superior, conmutándola y cambiando el aire de línea (de la 4 a la 2). Este cambio provoca la aparición demorada de aire en el piloto 14 de la memoria inferior. Esto provocará la conmutación de la memoria inferior que conducirá el aire al piloto 12. Esta situación es la que teníamos al principio. Mientras esté presente la señal en la entrada de presión 1 de la memoria inferior, el circuito permanecerá oscilando con la frecuencia que ajustemos en los reguladores de caudal.
201
13.4) DIVISOR BINARIO O FLIP-FLOP. El circuito que vamos a presentar, es uno de tantos que existen, y que se caracteriza por ser capaz de divi<..1ir por dos el número de señales de entrada( 4 l. La figura 13.06 nos muestra el circuito mencionado.
------------~--~ 01
-
- - - - - - - - - - -
, -12
14
-,
1 1
3 1
FIGURA 13.06 - CIRCUITO DE UN DIVISOR BINARIO MECANIZADO NEUMATICAMENTE.
1 1
4
1
1
1---2-1 02·------1
r*-rT,-.,.., 12 -----1 '++'f-U-'....U 1---- -r------1
03
21
3
1
1 1
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2 1 04
~12- í\ln,
~ vv
p
12
3
Su funcionamiento es sencillo: cuando se recibe la señal de entrada por P, el circuito se acomoda de forma tal que la presión aparece en 2(A). La presión en 2(A) permanece aún en el caso en que se retire la señal de entrada. Esta situación se mantendrá hasta que nuevamente aparezca por la misma entrada P otra señal.
Hemos numerado las válvulas con 01, 02, 03 y 04 para poder hacer una explicación más clara. Cuando la señal aparece en la entrada P, pasa a través de la 02 alcanzando el 12 de la 01, ésta se conmuta permitiendo ahora que el aire llegue por un lado a la salida 2 y por otro hasta la entrada de presión 1 de la 04. Esta 04 junto con la 03 se encuentran obstaculizando el progreso del aire hacia los pilotos 12 y 14 de la 02 (esta obstrucción se mantendrá en tanto y en cuanto la señal P se mantenga presente). Cuando desaparece la señal de entrada P suceden dos cosas en forma simultánea: tanto la 03 como la 04 regresan a su posición de equilibrio (pues no tienen pilotaje) y la memoria 02 se conmuta por 14 (pues la señal que estaba interrumpida por 04 ya no lo está). En definitiva hemos dado una señal en P y la hemos retirado y mantenemos una señal en 2. Cuando la señal vuelve a aparecer por segunda vez en la entrada P, vuelve a pasar por la 02 alcanzando esta vez el 14 de la 01, ésta se conmuta permitiendo ahora que el aire llegue hasta la entrada de presión 1 de la 03 y retirándolo de la salida 02. Esta 03 detiene el progreso del aire hasta tanto la señal de entrada P desaparezca. En ese momento 03 y 04 recuperan su posición y la señal detenida en 03 prosigue su marcha hasta alcanzar el piloto 12 de la 02 y conmutarla. Las cosas están ahora como estaban al principio y como resultado tenemos dos señales de entrada y una señal de salida (de aquí su nombre de divisor binario). · El conocimiento de este circuito puede ayudar a resolver muchos problemas en la práctica, pues hace las veces de una memoria que se habilita y deshabilita desde una misma señal. FIGURA 13.07 -VISTA EN CORTE DE UN VISOR OPTICO. IZQUERDA: DESACTIVADO; DERECHA: ACTIVADO.
13.5) VISORES OPTICOS. Si bien los visores ópticos corresponden indirectamente al tema que estamos tratando, hemos considerado oportuno incluirlos aquí pues, debidamente utilizados, pueden constituirse en aliados muy útiles en la
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idef"1ttkac,én de líneas bajo presión. Func1onan como un cilindro de simple efecto donde el vástago se ha convertido en un elemento CIJioreado .Cuando recibe presión, este elemento avanza presentando al observador una señal óptica. Se activan con presiones mayores o iguales a 1 bar (100 kpa). La figura 13.07 nos muestra un visor óptico en las dos posiciones: activado y desactivado.
LLAMADAS AL CAPITULO XIII. (1) Queda claro que la restricción es regulable, con el objeto de controlar el tiempo. El rango de regulación depende del tamaño del tanque. En el mercado pueden conseguirse rangos estándar comprendidos entre 1Oy 60 segundos. Existen temporizadores para mayores rangos con mecanismos de cortes o con derivaciones para instalar un tanque suplementario. El uso de tanque complementario puede comprometer la frecuencia de trabajo del temporizador. En ese caso es necesario instalar una válvula de escape rápido que permita evacuar rápidamente el aire almacenado en el tanque. Otro comentario importante es el que se relaciona con la precisión en la repetibilidad del período. En general está comprendida en el entorno 1% siempre que se mantenga la presión constante en el piloto. Quizás para muchos, tanto el rango como la repetibilidad sean pobres. Esto es cierto si los comparamos con temporizadores eléctricos o electrónicos. Sin embargo, piénsese en la ventaja que significa contar con un aparato capaz de controlar el tiempo sin necesidad de recurrir a otra técnica. El mantenerse dentro de la misma técnica favorece la comprensión y el mantenimiento. (2) Existe otra forma de temporizar el retorno del vástago pero no es muy segura. En lugar de instalar un sensor mecánico de fin de carrera, se habilita directamente el temporizador desde la salida 2(A) de la válvula de comando. Los inconvenientes que presenta en estas condiciones son dos:
1º) Debe contemplarse en el control del tiempo, el que tarda en lograr su posición extrema y luego adicionar el verdadero tiempo de espera. Con esta modalidad ahorraremos una válvula pero nos limitaremos en cuanto al rango de utilización del temporizador. 2º) Cuando el cilindro avanza, su velocidad depende del estado de carga, etc, por tanto el piloto de la válvula temporizadora no recibe presión constante y en consecuencia perdemos precisión en la repetibilidad del ciclo. (3) La frecuencia que puede obtenerse de un montaje como los que presentamos en los circuitos, depende mucho de los caudales que puedan manejar las válvulas así como también de su tipo de construcción. Las válvulas de asiento suelen presentar mayor frecuencia que las de deslizamiento. (4) En el mercado existen dispositivos muy ingeniosos que responden a la definición de "divisores binarios". Por ejemplo, las lapice ras que usamos diariamente tienen incorporado un mecanismo tal que cuando entramos con nuestro pulgar una señal, la punta con la que escribimos aparece y permanece aún en el caso de que el dedo abandone su posición. Bastará otra "entrada" para que la punta se retraiga. Con cualquiera de esos mecanismos, podemos "inventar" un flip-flop.
203
......
CAPITULO XIV 14) EL DIMENSIONADO OBJETIVO DIDACTICO: Que el lector conozca y comprenda la relación que existe entre el actuador y la válvula de comando.
14.1) INTRODUCCION. En este capítulo pretendemos brindar un panorama general del comportamiento de las válvulas en cuanto a sus prestaciones se refiere, así como también aclarar el significado y utilidad de los distintos parámetros que las identifican. Pretendemos también desarrollar una forma simple para elegirlas, en función de las necesidades del cilindro. Habitualmente, la elección de la válvula la realizamos por su conexión sin tener ningún otro dato en cuenta. Esta forma de elección nos conducirá indefectiblemente a una de estas tres situaciones: 1) La válvula elegida no responde a la demanda. 2) La válvula elegida responde exactamente a la demanda. 3) La válvula elegida supera la demanda. La segunda de las situaciones, se suele dar por azar y en consecuencia pocas veces, aunque lo grave aquí es que no hemos elegido ningún método en la elección. La primera y la última de las situaciones conducen a un mal funcionamiento. En el caso de la tercera posibilidad, este mal funcionamiento se producirá por exceso o sobredimensionado y en consecuencia puede no notarse. Arrojemos, entonces, un poco de luz sobre el asunto.
14.2) CAUDAL EN LAS VALVULAS Una de las principales tareas de un comprador o de un diseñador es saber elegir. La elección está directamente relacionada a un cuadro de necesidades y a una acción insustituible: la comparación. La pregunta que surge en forma inmediata es: ¿Cómo puedo comparar dos válvulas? La respuesta es: comparando algún parámetro característico intrínsecamente ligado a la válvula. Existen varios y entre ellos, dos que nos interesan: el aérea equivalente y el factor de flujo. En realidad la tarea del diseñador consiste en elegir adecuadamente la válvula necesaria para un propósito cierto. Más adelante nos ocuparemos específicamente de la elección de la válvula. Mientras tanto, profundicemos los conceptos relacionados con los parámetros enunciados.
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14.2.1) El Factor de flujo Veamos el tema desde sus bases: el flujo (o caudal} en un pasaje de aire comprimido depende de:
205
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El tamaño del pasaje La forma del pasaje considerado La presión de entrada La presión de salida Tanto la presión de entrada como la de salida son parámetros claros y concretos. No sucede esto cuando asociamos los dos primeros. En muchos casos debemos recurrir a una ''figura imaginaria" y no es descabellado asumir un "diámetro nominal" o un "aérea equivalente". En nuestro caso recurriremos a un "área equivalente al caudal" cuya definición y origen enunciaremos enseguida y que reconoceremos en lo sucesivo con "S" (La dimensión de S es mm2). Se conoce como "área equivalente al caudal" al que, al pasar por una restricción circular practicada en una lámina delgada, crea exactamente el mismo caudal y los mismos efectos de presión que los que produce el pasaje real considerado. La figura 14.01 muestra que el área equivalente es ligeramente menor que el orificio de la placa debido a la contracción que experimenta la vena de aire al pasar por ella.
FIGURA 14.01- CROQUIS QUE MUESTRA EL AREA EQUIVALENTE S ASOCIADA AL CAUDAL. CON S PUEDEN DEFINIRSE LA CAPACIDAD DE CAUDAL DE COMPONENTES NEUMATICOS COMO VAL VULAS, CONEXIONES, ETC. Lo importante de esta experiencia es advertir que, dado un dispositivo como el de la figura 14.01, con un diámetro de pasaje definido, lo podemos someter a ensayos variando la presión de entrada, la de salida y midiendo los caudales. De este ensayo puede obtenerse un gráfico que muestre las variaciones propias del aire al evolucionar por ese pasaje definido. Si recordamos que ese dispositivo, en realidad, permite medir que es lo que ocurre con una válvula, llegaremos a la conclusión que ese valor "S" medido, es un parámetro asociado e inseparable de la misma. Esto significa entonces, que dada una válvula 1, siempre podrá medirse un valor "S 1" que permitirá realizar un gráfico, como se mencionara más arriba, que contemple todas las variaciones de presiones y caudales. Esta situación nos conduciría a contar con un gráfico para cada válvula, cosa que de hecho sucede. Para completar los catálogos de algunas válvulas, sin embargo, es posible resumir este problema de los muchos gráficos a partir 10 ~Pl) Presión de Entrada de uno cuyos valores sean específicos. Efectivamente la 9 figura 14.02 representa un gráfico del comportamiento de una Flujo :----~ .....___ """"-~ Subsónlco válvula cuya aérea equivalente S es igual a 1 mm 2· !'...
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Flujo Sónlc 0
FIGURA 14.02 - GRAFICO PARA LA DETERMINACION DE LOS PARAMETROS DINAMICOS DE UNA VALVULA CUYA AREA EQUIVALENTE ES S = 1 MM 2 Aquí el eje vertical (ordenadas) representa la presión secundaria o de salida, el eje horizontal (absisas) el caudal y las líneas curvas la presión primaria o de entrada.
Q•NI/min
206
1_.....
14.2.2) OP.terminación del caudal de una válvula a partir del conocimiento del á:-e:;-! equivalente. Como primera medida, debemos conocer las condiciones en que la válvula habrá de trabajar. Los parámetros asociados al problema y que debemos conocer son:
= =
=
presión de entrada o presión primaria (bar) presión de salida o presión secundaria (bar) aérea equivalente (mm2}
y el parámetro a encontrar es:
Q
=
Caudal para esas condiciones (NI/min)
Si suponemos, por un momento que el aérea equivalente de la válvula es S= 1 mm2 , tenemos un gráfico que podemos utilizar. (el de la figura 14.02}. Bastará con ubicar la línea curva de la presión de entrada y la intersección de ésta con la horizontal correspondiente a la presión de salida. De allí y verticalmente hacia abajo encontraremos el caudal. Aquí no termina nuestro problema pues debemos hacer una corrección que ajuste el caudal encontrado al S de la válvula en cuestión. Este ajuste se realiza simplemente multiplicando el valor de caudal encontrado por el valor que tengamos de S. Procedamos con un ejemplo para dejar clara esta situación. Sean: P1 = 5 bar P2 = 4 bar S = 2.5 mm2 (aérea equivalente de la válvula en cuestión) La solución gráfica es simple y rápida: ubicamos la curva de la presión de entrada P1 = 5 bar, luego la intersección de ésta con la recta horizontal correspondiente a P2 = 4 bar. Desde ese punto trazamos una vertical hasta el eje X y leemos en esta nueva intersección el valor de Q para S= 1 mm2 • La lectura es Q = 500 Nl/min. Procederemos ahora a realizar el ajuste a S = 2.5 mm2 O •=2.5 mm2 = 500 NI/m in * 2.5 = 1250 Nl/min. Hemos encontrado la solución sin necesidad de contar con un gráfico para S = 2.5 mm 2·
14.3) EL CAUDAL NOMINAL El caudal nominal es una medida de capacidad de una válvula para un único estado posible de presiones de entrada y salida. Así tenemos que P1 = 6 bar y P2 = 5 bar Si Si Si Si
S= 1 mm2 S= 2 mm2 S= 2.5 mm2 S=10 mm2
resulta Q = Qn = 54.44 Nl/min. resulta Qn = 108.88 Nl/min. resulta Qn = 136.1 ONl/min. resulta Qn = 544.40 Nl/min.
207
SiS=18mm2
r€sulta
Qn = 979.92 Nl/min.
Esta medida tiene solamente un valor relativo de comparación entre válvulas y no puede usarse en forma directa para dimensionar. Existen otras medidas para expresar el caudal; por ejemplo: En E.E.U.U. se usa el factor Cv. Una válvula tiene un Cv = 1 si permite que en un minuto pase a través de ella un "U.S. Gallon" y cuando entre la entrada y la salida existe una diferencia de presión de una libra/pulgada2 • En Europa se usa kv. Una válvula tiene un kv= 1 cuando permite que en un minuto circule a través de ella un litro de agua manteniendo una diferencia de presión de un bar entre entrada y salida. Como existen varias unidades para medir el caudal, creemos conveniente presentar una pequeña tabla de equivalencias que tiene como objeto ubicarnos dimensionalmente. TABLA 14.01- COMPARACION DE LAS UNIDADES DE FLUJO O CAUDAL. S (mm2) 1 1.2587 18
kv (NI\min) 0.7944 1 14.3
Cv (U.S. Gallon\min) 0.0555 0.0699 1
14.4) ELECCION DE LA VALVULA ADECUADA El problema central que deseamos resolver aquí es precisamente el de elegir adecuadamente la válvula asociada a un actuador. Es decir, conocer a partir de ciertos datos un parámetro (como por ejemplo el aérea equivalente S) que nos permita identificar claramente una válvula. Supongamos tener los datos que detallamos a continuación: 1) Presión de trabajo 2) Consumo o caudal 3) Caída de presión admisible en la válvula ( P) Con estos datos podemos calcular el aérea equivalente S y con ese valor ingresar en los catálogos y elegir, entre los tipos disponibles de válvulas, la que responda a nuestras necesidades. Procedamos con un ejemplo: Supongamos que: La presión de salida (o de trabajo) es de 5.5 bar El consumo es de 300 Nl/min P admisible = 0.5 bar Si seguimos los trazos propuestos en la figura 14.03 vemos que el caudal que se encuentra es 36.5 Nl/min. Este caudal corresponde a una válvula con S=1
208
bar
6P • 6- 5.5 • 0.5 bar
PI • 6 bar P2 • 5.5 bar
C::::::::::::::..,._.,......~--
Nl/min
Q (Para S • 1 mm2) • 36.5 Nl/min
FIGURA 14.03 -TRAZADO QUE PERMITE ENCONTRAR EL CAUDAL EN EL GRAFICO DE EVOLUCION DE LOS PARAMETROS DE UNA VALVULA CON S=1 El hallazgó del aérea equivalente necesaria se realiza simplemente dividiendo el caudal que debe abastecerse por el encontrado en el gráfico. Es decir: S= 300 nUMIN /36.5 Nl/min (mm2 ) = 8.219 mm2 Como las válvulas se construyen respondiendo a diferentes tamaños, debería elegirse la que satisfaga el S calculado por exceso. Este exceso deberá controlarse con reguladores de caudal para poder adaptarse a la necesidad.
209
l
CAPITULO IX 9) ACTUADORES NEUMATICOS OBJETIVO DIDACTICO: Conocer los medios que se utilizan en la técnica neumática para transformar la energía de presión del aire comprimido en trabajo mecánico, así como también sus aplicaciones y limitaciones
9.1) INTRODUCCION Los elementos que permiten efectuar la transformación de la energía de presión transmitida por el aire, en energía mecánica, es decir en trabajo, se denominan "actuadores neumáticos". Existe una clásica división, entre los elementos de trabajo neumático, basada en sus posibilidades de actuación: los elementos o actuadores de acción lineal y los de acción rotativa. Sólo a los efectos de dar una idea anticipada de la importancia de este capítulo, diremos que se han desarrollado actuadores de tan variadas formas y modelos que prácticamente todas las industrias han encontrado una aplicación insustituible de los mismos. Desarrollaremos en primer lugar los actuadores rectilíneos y luego los actuadores rotativos. El criterio que seguiremos para su presentación será considerar en primera instancia sus aspectos de construcción, sus características individuales y sus aplicaciones más comunes para luego estudiar los aspectos de orden general como por ejemplo fuerza, consumos, etc.
9.2) ACTUADORES RECTILINEOS. Cuando uno se detiene a pensar como generar un movimiento rectilíneo sin que se origine en un movimiento de rotación, vemos bastante limitado nuestro campo de acción. Entre los elementos que quedan, después de un prolijo análisis, se encuentran: el electroimán, el resorte, el plano inclinado (aprovechamiento de la aceleración de la gravedad) y finalmente la energía de presión. Cada uno de los casos anteriores, salvo el último, no permiten un control sencillo del movimiento. Casi sin darnos cuenta, nos ha quedado en las manos, como única opción, la posibilidad que nos ofrece la energía de presión que, en nuestro caso, la estudiaremos como neumática. Existe una cantidad más o menos amplia de actuadores y en general todos responden al mismo principio: el aire comprimido tiende constantemente a expandirse para equilibrarse con la atmósfera (de la misma torma que un cuerpo caliente tiende a enfriarse, tomando la temperatura del medio que lo rodea).
¿ Qué deberíamos esperar de un buen actuador neumático estándar ? 1)Que exista en el tamaño que lo necesito (diámetro y longitud)
103
2) 3) 4) 5) 6) 7)
Que su ;ozamiento interno sea lo más bajo posible. Que su montaje o instalación sea simple y rápida. Que su vida útil sea lo más larga posible. Que exista una variedad importante de diseños para poder adaptarlo a nuestra necesidad. Que pueda utilizarse con o sin lubricación. Que pueda resistir los esfuerzos de tracción y compresión, así como la temperatura, sin deformarse.
9.2.1 Actuador neumático de simple efecto. El habitualmente llamado cilindro de simple efecto, es un actuador capaz de recibir en una cámara una determinada cantidad de aire comprimido que al expandirse, mueve un eje o vástago que realiza un trabajo mecánico. Se denomina de simple efecto porque su "efecto", es decir, el trabajo que origina, sólo se produce en un sentido. Este trabajo se manifiesta a partir del movimiento de un eje o vástago del pistón, es así que, si el eje está adentro saldrá y si está afuera, entrará. El movimiento de reposición del vástago a su condición de equilibrio se realiza a través de un medio elástico, que almacenó energía en la primera parte del ciclo y lo devuelve en la segunda. La figura 7.01 nos ilustra con un cilindro de construcción convencional de simple efecto. Podemos apreciar allí, su construcción e identificar el cilindro propiamente dicho (o camisa) representado por el tubo exterior, el pistón con el vástago, las tapas delantera y trasera y el elemento elástico (resorte) capaz de almacenar energía (1l.
FIGURA 9.01- CILINDRO NEUMATICO DE PISTON (SIMPLE EFECTO)
Es justamente la presencia de este elemento lo que complica su construcción y obliga a utilizar tubos más largos, pues el resorte al estar comprimido, ocupa un lugar considerable. Hay construcciones que apuntan a presentar un actuador más compacto y de carrera más corta. En la figura 9.02 tenemos la posibilidad de apreciar dos actuadores, uno con resorte trasero y otro con resorte delantero.
FIGURA 9.02 - CILINDROS DE SIMPLE EFECTO DE CONSTRUCCION COMPACTA. RESORTE TRASERO Y DELANTERO.
104
1
Es interesante observar q".Je en todos los casos, el cilindro de simple efecto recibe aire en una sola de las cámaras mientras que la otra está constantemente conectada a la atmósfere< 2 l. No siempre un actuador rectilíneo realiza su trabajo por desplazamiento de un pistón, ¡a,;,bién suele hacerlo por deformación de una membrana. La figura 9.03 nos muestra un actuador construido con membrana. El área útil es significativamente grande y en general, las carreras asociadas a estos aparatos son muy cortas. Reconocemos inmediatamente una aplicación para el actuador de la figura 9.03: apertura y cierre de válvulas globo o esclusas. Otra aplicación característica de este actuador es en los frenos de aire de camiones y acoplados.
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e FIGURA 9.03 - ACTUADOR NEUMATICO DE SIMPLE EFECTO DE MEMBRANA. REPOSICION POR RESORTE.
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9.2.2 Actuadores de doble efecto. Su denominación obedece a la característica que tienen de posibilitar el trabajo en los dos sentidos (avance y retroceso). Su construcción es similar a los de simple efecto, salvo que aquí no se cuenta con el resorte de reposición y es obligatorio estanquizar la cámara que contiene el eje. Con el objeto de expresarnos adecuadamente, en el futuro, denominaremos cámara trasera a la que no contiene al eje y cámara delantera a la que si lo contiene .
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Este tipo de actuador es el más usado en automatización neumática, pues es muy versátil en sus aplicaciones y muy sencillo de controlar. Su recorrido, es decir su carrera, puede alcanzar longitudes estándar de dos a tres metros en ejecuciones cuyo diámetro lo admita. La fuerza que debe realizar es uno de los factores que limitan esta carrera debido al fenómeno de pandeo. Por otra parte, diremos también que, la fuerza que puede realizar en la carrera de avance es ligeramente mayor que la que realiza durante el retroceso debido a la diferencia de área útil. Algunos tipos de construcción: La figura 9.04 nos muestra un cilindro de doble efecto en posición de descanso. Haciendo ingresar aire a presión en la cámara trasera y liberando el de la delantera a la atmósfera logramos la salida del eje.
105
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FIGURA 9.04 - CILINDRO DE DOBLE EFECTO EN POSICION DE DESCANSO Y ACCIONADO.
La fuerza que desarrolla durante el movimiento dependerá de la presión de alimentación y de la carga que deba mover. En la misma figura 9.04 vemos al actuador accionado. Su recuperación se consigue entregando aire a presión en la cámara delantera y liberando el de la trasera (hemos invertido el proceso). Sobre las fuerzas a desarrollar y otros datos relacionados con la prestación del actuador, volveremos más adelante. Por ahora, nos seguiremos ocupando de los aspectos de construcción. Cuando la carga que el actuador va a mover tiene una masa más o menos importante, la inercia, tanto al comenzar como al terminar el movimiento, se hace sentir. El inicio del movimiento no ofrece mayores problemas. Estos se presentan cuando el movimiento termina bruscamente: es entonces cuando se produce un choque, que según su intensidad puede ocasionar daños. Para evitarlos se suele recurrir a un dispositivo denominado "amortiguador de final de carrera"(3l. Este consiste en un montaje interno del actuador que hace que en un instante antes de terminar la carrera, la cámara contraria al movimiento eleve su presión de tal forma que genere una fuerza resistente capaz de frenarlo. Este efecto se consigue muy fácilmente: en el momento en el que el eje avanza, transporta consigo un "buje-tapón" que lo rodea y que se localiza junto al pistón. El propio movimiento hará, en su progreso, que este "buje-tapón" obture completamente el camino fácil de salida del aire, permitiéndole su escape por un orificio de sección generalmente regulable. La figura 9.05 nos muestra este amortiguador de final de carrera donde puede apreciarse claramente su funcionamiento.
FIGURA 9.05 - CILINDRO NEUMATICO EQUIPADO CON AMORTIGUADOR DE FINAL DE CARRERA.
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Esta amortiguación final de carrera puede instalarse para "frenar'' el movimiento en uno o en dos sentidos. Podríamos decir que es un artificio obligatorio para actuadores cuyos diámetros superen los 50 mm. Con el único propósito de ampliar al lector su espectro de conocimientos acerca de actuadores de doble efecto, presentamos las figuras que se muestran a continuación. La figura 9.06 corresponde a un mini-actuador de doble efecto, hecho que puede apreciarse por las dos entradas de aire que dispone.
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FIGURA 9.06 - MINI - ACTUADOR DE DOBLE EFECTO. la Por otra parte el tamaño de los conectores nos permite apreciar el diámetro del mini-actuador.
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La figura 9.07 nos muestra un actuador de doble efecto, con amortiguación final de carrera y con sensores magnéticos de posición, capaces de emitir una señal eléctrica. Los sensores que se presentan en la figura son del tipo "Reed Switch" aunque existen otros que desempeñan similar función y son del tipo "estado sólido."
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FIGURA 9.07 - CILINDRO DE DOBLE EFECTO EQUIPADO CON SENSORES MAGNETICOS DE POSICION. La figura 9.08 nos permite apreciar una interesante ejecución: un actuador compacto de carrera corta, con amortiguación elástica fija y con la posibilidad de incorporarle sensores magnéticos de posición.
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6 FIGURA 9.08 - CILINDRO COMPACTO CON Y SIN SENSORES MAGNETICOS.
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En este tipo de actuadores, uno de los problemas más difíciles de resolver debido a su pequeña carrera es capitalizar su desplazamiento para generar señales. Con la aplicación de los sensores magnéticos de posición se ha dado un gran paso en ese sentido.
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9.2.3 Actuadores de construcción especial. Al margen de los casos ya vistos de cilindros de doble y simple efecto, pueden realizarse ejecuciones especiales (como por ejemplo eje reforzado, camisa anticorrosiva, etc.). Es posible encontrar en el mercado actuadores cuya ejecución difiera de la vista hasta ahora. No obstante, los conceptos vertidos son de carácter general y por tanto de aplicación universal.
9.2.3.1 Cilindro de vástago pasante. Esta ejecución, mostrada en la figura 9.09, permite una mayor versatilidad en el aprovechamiento del movimiento. Como característica especial podemos decir que es el único actuador donde la fuerza de avance iguala a la de retroceso. Todo lo visto para los actuadores anteriores puede también aplicarse a este.
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FIGURA 9.09 - CILINDRO DE VASTAGO PASANTE EJECUCION CONVENCIONAL. En la figura 9.1 O apreciamos también un cilindro de vástago pasante y ejecución compacta.
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FIGURA 9.1 O - CILINDRO DE VASTAGO PASANTE EJECUCION COMPACTA.
9.2.3.2 Cilindro tándem. Este actuador, de eje común, capitaliza la fuerza generada por pistones (en nuestro caso dos) vinculados a dicho eje.
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El objetivo es reemplazar a otro de mayor diámetro en su función. Ingeniosamente gobernado permite variar la intensidad de la fuerza durante o después de ejecutado el movimiento. Piense el lector en estas posibilidades.
La figura 9.11 nos muestra una ejecución sin amortiguación de final de carrera donde puede apreciarse, además, la diferencia de diámetros en el eje común de los cilindros. Los diámetros aludidos están directamente relacionados con los esfuerzos a que son sometidos durante el trabajo.
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o En ocasiones se recurre a este montaje para conseguir movimientos lentos. En ese caso uno de los cilindros se trabaja con aceite en forma independiente y en circuito cerrado. No aconsejamos su utilización para tales propósitos sin previamente verificar su posible utilización con aceite.
9.2.3.3 Cilindro de posiciones múltiples. Este actuador es muy utilizado en automatización, no sólo por las posiciones exactas que permite obtener, sino también por las posibilidades que ofrece para lograr distintas velocidades. Consiste prácticamente en dos actuadores unidos por su parte trasera. La figura 9.12 muestra un aspecto simplificado de su construcción, y además la forma que adopta para obtener las cuatro posiciones mencionadas. Se trata de alimentar ordenadamente las distintas cámaras de los cilindros para conseguir los distintos desplazamientos, algunos absolutos y otros relativos. Es necesario señalar que en este caso la carrera de los cilindros es diferente. Si seguimos las secuencias mostradas en la figura 9.12, reconocemos al actuador en su posición inicial para seguir, luego, escalando las distintas posiciones exactas hasta llegar a la máxima, con sólo dirigir el aire adecuadamente.
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FIGURA 9.12 - CILINDRO DE POSICIONES MULTIPLES.
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En total estas posiciones son cuatro. Si los actuadores que componen el sistema tuvieran la misma carrera sólo podríamos conseguir tres posiciones exactas. Con respecto a las velocidades, invitamos gentilmente al lector a realizar sus propias conjeturas. Quizás se sorprenda al descubrir que hay ocho combinaciones con las que se pueden lograr infinitas posibilidades. Otro cilindro de posiciones múltiples es el presentado en la figura 9.13 . Esta vez los dos pistones que lo componen, muestran un solo vástago fuera de la camisa. Sin embargo hay dos, el más corto oficia de tope variable ofreciendo así tres posiciones.
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FIGURA 9.13 OTRA CONSTRUCCION PARA CILINDROS DE POSICIONES MULTIPLES
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11 9.2.3.4 Cilindro de impacto. El actuador que veremos a continuación cubre una necesidad específica. Esta, si bien no es muy frecuente, corresponde al trabajo de deformación o corte que debe realizarse en piezas pequeñas utilizando energía del aire comprimido. Este trabajo requiere una "concentración" de energía en un trayecto relativamente corto. ¿Cómo se resuelve este problema?. Veamos: La energía que posee un cuerpo en movimiento se conoce como "energía cinética" y puede ser calculada por la fórmula:
Ec = Y2 m. v2 • donde: m es la masa del cuerpo en cuestión. v es la velocidad en el momento estudiado. Un análisis superficial de esta fórmula nos dice que en tanto la masa aumente, aumentará también la energía cinética del cuerpo. La proporción del aumento será lineal. Si en cambio pensamos en un aumento de velocidad, la energía cinética también aumentara pero ahora en proporción cuadrática. Este análisis nos motiva a pensar en conseguir preferentemente un aumento de velocidad más que de masa. Es lo que se hace en la práctica. La figura 9.14 muestra un croquis elemental de dicho cilindro.
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FIGURA 9.14 - CILINDRO DE IMPACTO.
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Se almacena aire comprimido en la cámara trasera, intencionalmente aumentada, hasta conseguir el equilibrio. En el momento de romperse, se libera rápidamente el de la cámara delantera motivando una violenta salida que es apoyada por el aire previamente almacenado. El orificio que aparece en la parte inferior de la cámara trasera es de un diámetro muy pequeño y tiene la función de "desahogar" el espacio estanco que impediría un cierre hermético. La pérdida que produce durante la faz operativa es mínima pues el tiempo de duración es muy breve. "AA DE
9.2.3.5 Cilindro de cable Entre las construcciones especiales se encuentra una muy particular: el cilindro de cable. El croquis de la figura 9.15 habla por si mismo de su funcionamiento.
nuy ndo FIGURA 9.15 CILINDRO DE CABLE.
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El movimiento se capitaliza desde la unión del cable. Esta ejecución conduce a pensar posibilidad de cambiar la dirección de la fuerza con poleas.
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Por su geometría particular permite su aplicación en lugares donde el espacio a recorrer ocupa cs:;i todo el lugar disponible, pues su longitud es invariable durante el movimiento. El punto más débil de esta construcción es el sellado del cable. Es siempre más fácil y más segu 'C sellar un vástago rígido y de superficie regular. Debido a su diseño admite carreras largas. Este tipo de actuador puede considerarse el precursor del que presentaremos a continuación.
9.2.3.6 Cilindro sin vástago. Esta es otra curiosa ejecución de actuador rectilíneo. El croquis de la figura 9.16 nos permitirá entender su funcionamiento. Se trata de una camisa de material antimagnético con un pistón que define dos
111
cámaras herméticas. Este pistón presenta cavidades anulares transversales que alojan imanes permanentes. Esta situación se repite en un muñón exterior que abraza la camisa. Montados como indica la figura, realizan entre sí un acoplamiento magnético que obliga al muñón exterior a seguir los movimientos del pistón interior. La fuerza de arrastre axial depende de la intensidad de los imanes y del área expuesta. Su aplicación es similar a la mencionada para los cilindros de cable, sólo que su operación es más confiable.
FIGURA 9.16 - CILINDRO SIN VASTAGO.
Una característica en este tipo de actuador, que quizás sea única, es que puede cubrir luces mayores (pensado como una viga apoyada a los extremos} que un actuador convencional. Esto se debe principalmente a que el tubo que conforma la camisa tiene más posibilidades de resistir un esfuerzo flector.
9.2.3.7 Ejecuciones antigiro. En muchos casos es necesario asegurar la posición angular de un elemento vinculado al avance de un actuador neumático. Normalmente el eje y el émbolo, solidariamente unidos, pueden girar sobre sí mismos. La idea que se persigue es evitar ese giro. Para ello es necesario entonces, resistir el momento que lo provoca. Este momento puede tener dos orígenes: el interno y el externo. El interno surge del rozamiento del pistón con la camisa y el externo de características de la carga. Si la causa del giro es la primera, puede evitarse montando vástagos especiales (por ejemplo vástagos con dos planos paralelos longitudinales, o con vástagos de sección rectangular, etc.} Si en cambio la causa es la segunda, no puede entregarse la responsabilidad del momento resistente a estas construcciones, pues el brazo de palanca que podrían brindar es muy pequeño, hecho que obliga a agrandar la fuerza actuante para lograr el equilibrio. La instalación de una deslizadera que acompaña el movimiento es casi la solución más apropiada ya que pudiendo elegir el brazo de palanca podemos controlar el momento resistente con mucha precisión y con menor esfuerzo.
9.2.3.8 Cilindro con bloqueo de precisión. Este actuador es sumamente interesante, sobre todo si se tiene en cuenta la falta de precisión provocada por la elasticidad natural del aire. Su capacidad consiste en la posibilidad de bloquear o desbloquear la posición que tiene el vástago al recibir una señal neumática. El principio de funcionamiento es sencillo, consiste en un cono hueco montado sobre el vástago del
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actuador que debe desplazarse axial mente hacia adelante y hacia atrás. Al desplazarse hacia adelante, el cono cierra una serie de palancas dispuestas radialmente a manera de pinza, que sujetan el vástago efectuando su bloqueo. · Al desplazarse hacia atrás las libera, motivando a su vez la liberación del vástago.
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La forma de conseguir los movimientos del cono, puede apreciarse en la figura 9.17 y una vista completa del actuador con cabezal de bloqueo, en la figura 9.18.
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FIGURA 9.17 - FORMAS DE CONSEGUIR LOS MOVIMIENTOS DEL CONO A) BLOQUEO Y DESBLOQUEO NEUMATICO B) BLOQUEO PERMANENTE POR RESORTE Y ACCION NEUMATICA C) BLOQUEO PERMANENTE POR RESORTE
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Si bien hay maneras de conseguir la detención de un actuador de doble efecto a través de un circuito relativamente simple, con el cilindro con bloqueo tendremos siempre más precisión.
9.2.3.9 Cilindro de tope En un elevado número de aplicaciones resulta necesario detener la marcha de productos o elementos, en una línea de producción continua, para dar lugar y tiempo a que se realicen determinadas operaciones. muy a menudo se recurre a pequeños dispositivos que son accionados por actuadores neumáticos de simple o doble efecto. Estos requieren además del lugar adecuado, el proyecto y construcción necesarios. El cilindro de tope, figura 9.19, es un equipo diseñado para evitar los inconvenientes antes mencionados.
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Se trata de un actuador de vástagos y bujes reforzados capaces de resistir severas cargas flectoras. En su extremo puede presentar, como es el caso de la figura, un elemento elástico complementado con un :jispositivo de amortiguación (absorvedor de golpes).
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r Como es de esperar, puede contarse con actuad!Jres cuya construcción sea de simple efecto (eje extendido) y de doble efecto. Casi la mayoría de estos actuadores se montan por brida o soporte delantero
FIGURA 9.19 - CILINDRO DE TOPE
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9.2.4 Aspectos de construcción y consideraciones para el montaje 9.2.4.1 Aspectos de construcción. Uno de los problemas más discutidos, en la construcción de cilindros, es la forma de lograr la estanquidad. Esta depende de las juntas (o anillos) que se montan sobre los pistones y sobre el vástago. Existen variadísimas formas, como puede apreciarse en la figura 9.20. Seleccionar cual debe montarse para conseguir la mejor prestación, no es fácil pues depende de entre otras opciones de: tipo de actuador, material de la junta, forma de la misma, diámetro del pistón, terminación superficial de la camisa, tipo de lubricación a usar, presión de trabajo, velocidad pretendida del actuador, temperatura media de trabajo, estado de carga, frecuencia, etc. Este panorama nos da una idea de la dificultad de elección de la junta y nos conduce a deducir que la última palabra está en manos de la prueba práctica.
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FIGURA 9.20 - ALGUNAS FORMAS O TIPOS DE JUNTAS DE ESTANQUIDAD.
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De todos modos, nos atreveremos a hacer algunos comentarios que pueden arrojar más luz sobre el asunto. Comparemos, en la figura 9.21, el sello del pistón 1 con el sello del pistón 2. El pistón 1 tiene montado un anillo de forma (nlp) y el dos una junta de doble labio. En una primera observación deducimos que el 1 ocupa menos espacio permitiendo la instalación de un anillo no elástico de bajo rozamiento que impide movimientos transversales, y además da lugar a la eventual instalación de un imán permanente para excitación de los sensores magnéticos.
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Los aspectos relacionados con la lubricación son también muy importantes. Cuanto mejor sea la lubricación, tanto menor será la fuerza de rozamiento. Obsérvese que la junta de la figura 1 tiene más movimiento en sentido longitudinal y en consecuencia distribuye mejor la grasa. La forma de la junta contribuye a disminuir el componente normal de la fuerza y por tanto a disminuir considerablemente el rozamiento. En definitiva, el espacio ocupado por los pistones es el mismo y el de la figura 9.21.1 brinda más ventajas.
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FIGURA 9.21 - DETALLES FUNCIONALES DE DOS TIPOS DE JUNTA.
9.2.4.2 Consideraciones sobre el montaje. Uno de los aspectos a los que frecuentemente no damos mucha importancia, es a la forma en que deben vincularse los actuadores a la estructura resistente. Existen muchas formas que son consideradas estándar por los fabricantes. Ellos cubren prácticamente todas las necesidades. La figura 9.22 nos muestra dos grupos de montajes: el grupo A se refiere a los soportes de "cilindro fijo". Aquí el cilindro es fijado y la carga se mueve según la dirección del vástago. El grupo 8 corresponde a los soportes capaces de admitir un desplazamiento angular determinado: "cilindro oscilante". Es conveniente tomar precauciones cuando se trata de soportar u originar un movimiento. Habrá que vigilar su trayectoria y estudiar los esfuerzos a que estaría sujeto el actuador con el fin de evitar aquellos que puedan resultar perjudiciales.
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FIGURA 9.22 - DIFERENTES FORMAS DE VINCULAR CILINDROS A LA ESTRUCTURA RESISTENTE.
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FIGURA 9.23 - VISTA GENERAL DE LOS ACCESORIOS DE MONTAJE DE UN CILINDRO.
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Quizás la figura 9.23 nos aclare aun más la forma y ubicación de los accesorios de montaje. Algunos fabricantes producen cilindros de montaje directo y de montaje multipropósito. Con ellos quedan resueltos los problemas de los accesorios de montaje y se reducen los clásicos inconvenientes provocados por el hallazgo correcto de piezas compatibles, etc.
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Completan esta variedad de accesorios dos elementos importantes que se relacionan directamente con el vástago del cilindro: es el montaje oscilante para el vástago. La figura 9.24 nos muestra varios ejemplos de aplicación ya combinados con lo visto anteriormente.
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FIGURA 9.24 - MONTAJE FLEXIBLE DONDE SE MUESTRA EL ACCESORIO OSCILANTE PARA EL VASTAGO.
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El otro accesorio importante es la junta flotante para el vástago. Su aplicación permite "disimular'' ciertos desajustes propios de cualquier montaje. En la figura 9.25 podemos ver cual es su funcionamiento: la ~rayectoria del vástago puede apartarse perpendicularmente de su eje u oscilar un pequeño ángulo sin generar esfuerzos resistentes sobre el buje delantero ni sobre el pistón. Como regla general es importante saber que el éxito de cualquier automatismo neumático depende, oásicamente, de la calidad con que se proyectó su parte mecánica. Muchas veces, ocurre que, cuando algún automatismo neumático no funciona como era de esperarse, se adjudique esta falta a los componentes o;eumáticos. Aconsejamos revisar el proyecto mecánico antes de condenarlos .
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FIGURA 9.25 - JUNTA FLOTANTE PARA VASTAGO.
9.3) ACTUADORES DE ACCION ROTATIVA. Los actuadores neumáticos capaces de generar rotaciones se dividen en dos clases: los que cubren _.,desplazamiento angular fijo (rotación limitada) y los que podrían girar indefinidamente (rotación ilimitada).
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9.3.1} Actuadores de giro limitado. El propósito principal de estos actuadores es entregar un movimiento circular acotado. Cubren generalmente ángulos de 90º hasta aproximadamente 360º y presentan en algunos casos posibilidades de regulación. La figura 9.26 muestra un croquis donde se aprecia el principio de funcionamiento de un actuador de giro limitado que aprovecha el movimiento lineal producido por sendos pistones asociados a una cremallera que engrana con una rueda dentada central. Esta rueda dentada transforma en rotación el movimiento lineal de los pistones. La amplitud del giro depende de la longitud de las cremalleras. El par torsor capaz de entregar es importante, pues pueden aprovecharse las aletas opuestas de cada pistón en forma simultánea. El actuador puede o no contar con amortiguación final de carrera. Esta amortiguación sólo es efectiva cuando los momentos de inercia son de bajo valor. Cuando son importantes, es necesario tomar precauciones externas para evitar deterioros en el equipo.
FIGURA 9.26 - CROQUIS DE UN ACTUADOR ROTATIVO. DE DOBLE CREMALLERA.
Un actuador más cercano a la realidad, lo encontramos en la figura 9.27. Reconocemos aquí la cremallera, el piñón que engrana con ella y el eje que efectúa el giro.
FIGURA 9.27 - ACTUADOR ROTATIVO DE SIMPLE CREMALLERA.
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Estas construcciones no son las únicas. Existen otras más simples en cuanto a su ejecución, aunque sólo aplicables a mecanismos que requieren poco torque. Un ejemplo de ello, lo tenemos en la figura 9.28. Se trata simplemente de una paleta solidaria a un eje. cuando recibe aire en uno de los lados, se mueve angularmente hacia el otro hasta el tope y viceversa. (4 l.
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a FIGURA 9.28 - ACTUADOR ROTATIVO DE PALETA.
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Estos actuadores han resuelto un serio problema en la automatización: realizar un giro utilizando el menor espacio posible y sin necesidad de transmisiones mecánicas que restaran flexibilidad. Por la forma particular de la paleta, para estos actuadores, se admite una pequeña pérdida La advertencia más importante que debemos realizar sobre estos actuadores es: usarlos siempre dentro del rango de momentos de inercia aceptados para determinadas velocidades angulares. Veremos más adelante que recaudos debemos tomar y como efectuar los cálculos.
9.3.2) Actuadores de giro ilimitado. Cuando pensamos en lograr movimientos de rotación sin límite angular a partir de la energía de presión del aire comprimido, inmediatamente nos preguntamos: ¿Es necesario gastar toda una variedad de esfuerzos en comprimir, tratar, distribuir y utilizar el aire para obtener una rotación cuando ya en el acto de comprimir lo estamos utilizando?. Este planteo, no siempre realizado, nos conduce a una serie de respuestas y justificaciones. Como primera medida digamos, que si el motor neumático se utiliza por seguridad es suficiente justificación. ¿Y si no es por seguridad? ¿Cuáles son las razones técnicas que amparan su uso? ¿No es posible acaso reproducir eléctricamente su movimiento?. Puede el lector pensar en algunas respuestas para estos interrogantes y con el ánimo de que pueda contestarlas, haremos algunas aclaraciones. Cuando debemos estudiar un motor que dé origen a un movimiento de rotación, debemos remitirnos a sus curvas características. La figura 9.29 presenta tres curvas superpuestas.
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FIGURA 9.29 - CURVAS CARACTERISTICAS DE UN MOTOR NEUMATICO.
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Entre todas las posibles hemos elegido tres por ser las más representativas: consumo (Q) en función de las vueltas realizadas por minuto (RPM), par o momento torsor (m) en función de las RPM y potencia en función de las RPM. Una rápida mirada a este gráfico permite reconocer a simple vista una característica fundamental de este tipo de motores: su alto par de arranque que señaláramos allí con M0 • Este es el principal motivo técnico que conduce a su utilización. Este desempeño solamente puede ser igualado por motores eléctricos cuyo costo, peso, volumen y mantenimiento son significativamente mayores para la misma potencia. Después de este análisis se justifica presentar algunos tipos de construcción con el objeto de orientar al lector.
9.3.2.1) Motor de paletas. Uno de los más conocidos y frecuentemente usados son los motores de paleta. Lo ilustramos aquí en la figura 9.30. Su construcción es similar a los compresores del mismo tipo, sólo que aquí es el aire comprimido que genera el movimiento consiguiendo la rotación a izquierda o a derecha según la entrada que elijamos.
FIGURA 9.30 - CROQUIS DE UN MOTOR NEUMATICO DE PALETAS.
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1 Debido a su alto par de arranque puede invertirse el movimiento (cambiar el sentido de giro) con suma facilidad. Por su construcción simple y el reducido espacio que ocupa, este motor es muy utilizado en herramientas portátiles y pequeñas máquinas. Ordinariamente el eje de salida está asociado a un reductor planetario con el objeto de reducir las vueltas y aumentar el par. Quizás sea el más difundido de los motores neumáticos para pequeña potencia.
9.3.2.2) Motor de pistones radiales. Otra ejecución interesante es el motor radial. Lo presentamos esquematizado en la figura 9.31. Sus características son similares al anterior sólo que este puede suministrar mayor potencia debido a su robustez de construcción.
FIGURA 9.31 - CROQUIS DE UN MOTOR NEUMATICO DE PISTONES RADIALES.
Si bien puede desarrollar mayor potencia que el descrito anteriormente, su uso no está tan difundido.
9.3.2.3) Motor de pistones axiales.
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FIGURA 9.32 - CROQUIS DE UN MOTOR NEUMATICO DE PISTONES AXIALES.
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Este motor presenta una disposición diferente para los pistones, estos se muestran ordenados alrededor del eje de giro, y la dirección de su movimiento COincide con la de este.
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Un plano inclinado solidario al eje de salida capitaliza el movimiento sucesivc de vaivén de cada uno de los pistones transformándolo en un movimiento de rotación. La figura 9.32 muestra un croquis simplificado donde se muestra este principio. La principal ventaja de este motor neumático es su reducido tamaño, por tanto es liviano; esto hace que se lo use en aparejos y en dispositivos que requieren un alto grado de confiabilidad. En todos los casos, y principalmente en el motor de paletas, el eje de salida está asociado a reductores planetarios, que también ocupan poco volumen, y que hacen el movimiento irreversible.
9.3.3) Aplicaciones. Algunas aplicaciones características de los motores anteriores son: agitadores de pintura y de mezclas explosivas, mezcladores donde se requieren grandes torques, aparejos neumáticos, herramientas neumáticas, etc. Cabe destacar que el uso de herramientas neumáticas manuales, tales como: taladros, pulidoras, etc, ha hecho descender significativamente el número de accidentes ¡s¡.
9.4) ACTUADORES ESPECIALES. Existen múltiples formas de aprovechar la energía neumática. Además de las ya vistas, reconocemos: mordazas neumáticas, martillos neumáticos, agitadores, mezcladores, etc. Sin embargo dentro de este grupo encontramos un conjunto de aparatos que comparten su accionar con la hidráulica, estos son los llamados unidades hidro-neumáticas.
9.4.1) Unidades hidro-neumáticas. Uno de los problemas o inconvenientes con los que tropieza la neumática es su incapacidad para realizar movimientos lentos. Esta incapacidad surge de la característica que tiene el aire de ser compresible (es decir, de ser un medio elástico). La solución la proporciona una legítima asociación con la hidráulica, técnica que como medio de transmisión de presión utiliza aceite. Existen en ese sentido dos caminos: uno el que proporciona un cambio del medio de presión y otro el de la vinculación mecánica. A
Veamos el primero. El croquis de la figura 9.33A muestra un recipiente al que llega presión neumática, el pistón flotante que la recibe tiene como única función cambiarla a presión hidráulica, presión esta que es transmitida a un actuador a través de un conducto que presenta un dispositivo que permite controlar el caudal. Debido a que el aceite es prácticamente incompresible, la velocidad del actuador puede regularse, incluso, a velocidades muy lentas (25 mm./min)!6l.
FIGURA 9.33 (A Y B)- UNIDAD HIDRO-NEUMATICA SIN Y CON INCREMENTO DE PRESION.
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Existen equipos que reúnen el recipiente y la válvula en un solo cuerpo de manera que si quisiéramos regular velocidades en uno y otro sentido, deberíamos instalar dos.
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La figura 9.33 sugiere una variante muy interesante: con el mismo principio permite lograr un aumento de presión en el aceite.
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Efectivamente, la posibilidad la brinda el hecho de transmitir, por un medio mecánico, la fuerza a un pistón de menor diámetro. El resto funciona igual que el caso anterior(7). El segundo de los caminos para lograr un movimiento lento, la vinculación mecánica, ofrece también dos posibilidades.
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Una de ellas la brinda el hecho de vincular los ejes de un actuador neumático, generador de la fuerza, con otro de un actuador hidráulico, que hará las veces de freno (ver figura 9.34). Este efecto de frenado se produce cuando el aceite de una de las cámaras pretende pasar a la otra; y se logra controlando el caudal que circula entre ambas.
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FIGURA 9.34 - UNIDAD HIDRO-NEUMATICA DEL TIPO VINCULADO.
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:: La otra posibilidad consiste en utilizar una construcción en tándem similar a la que presentamos en la figura 9.11. Si se usara esta solución deberá verificarse la resistencia a la presión de trabajo así como también la compatibilidad de los componentes con el aceite a utilizar. Debido a su compleja construcción no aconsejamos su utilización.
9.5) CALCULOS DE ACTUADORES. Calcular un actuador significa conseguir la dimensión del (o de los) parámetro(s) incógnita(s) sobre la base de otros que se consideran datos. Existen dos grandes grupos de actuadores, como ya hemos visto, los de acción rectilínea y los de acción rotativa. Nos ocuparemos inicialmente de los de acción rectilínea, pues son los más comunes.
9.5.1) Cálculos para actuadores neumáticos de acción rectilínea Cuando se trata de calcular un actuador, existen tres operaciones básicas a realizar: cálculo de la fuerza, verificación al pandeo y consumo.
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9.5.1.1) Cálculo de la fuerza. Salvo que se pretenda construir un actuador de diámetro especial, existen en el mercado actuadores de diámetros definidos. El problema del cálculo es entonces, dado el diámetro de un actuador, calcular la fuerza que desarrollará si se alimenta con una presión predefinida.
9.5.1.1.1) Caso en que el actuador sea de simple efecto. Si el actuador es de simple efecto, y similar al que presenta la figura 9.35, la presión se distribuirá sobre toda el área útil ("A"), generando una fuerza, que llamaremos fuerza teórica, y que puede calcularse por:
Donde: A es el área transversal libre del pistón y P es la presión de trabajo.
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FIGURA 9.35 - ACTUADOR DE SIMPLE EFECTO.
Nuestro interés apunta a conocer la fuerza real del actuador, por consiguiente a la fuerza teórica calculada deberá reducírsela la fuerza de rozamiento y la fuerza del resorte que dependerá de la elongación "x" del mismo y que puede calcularse por: F=k ·X Donde k es la constante del resorte y se mide en N/m. Nuestro cálculo final podría reducirse así: X·~
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Freal = P · - 4- -0.1P · - 4- - k·X=0.9 · - - k ·X 4 Si el actuador presenta otra configuración, deberá estudiarse especialmente la forma de calcular la fuerza real(8>.
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9.5.1.1.2) Caso en que el actuador sea de doble efecto En el caso de un actuador de doble efecto, como el de la figura 9.36 el cálculo se divide en dos: una parte para calcular la fuerza real de avance y la otra para calcular la fuerza real de retroceso.
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Cálculo de la fuerza real de avance.
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FIGURA 9.36 - ACTUADOR DE DOBLE EFECTO.
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_. Se calcula como en el caso anterior pero sin contar el resorte pues aquí no existe. dores uerza
Los datos son:
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además:
F1a =fuerza teórica de avance. Frz =fuerza de rozamiento: la estimamos en un 10% de Fta (9l. Fra =fuerza real de avance.
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así tenemos:
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4
además:
Fra = FFrz t Reemplazando entonces las dos primeras expresiones en la última, nos queda: 7t·D2
1t·D2
F = P · - - -0.1P· - ra
4
4
sacando factor común y operando: 7t. 02 Fra = 0.9 · P · - - = 0.707 · P · 0 2
(A)
4
tlcular
s:una
Con la aplicación de esta simple fórmula puede calcularse la fuerza real de avance para un cilindro de D operando a una presión de trabajo P y con un rozamiento estimado en un 10% de la fuerza teórica. Se dan a continuación los valores del coeficiente para la fórmula en relación con los% de consumo por rozamiento de la fuerza teórica.
)ROE
125
% RAZONAMIENTO
COEF. FORMULA
% RAZONAMIENTO
COEF. FORMULA
9.5
5
0.746
13
0.683
6
a.a
0.738
14
0.675
7
0.730
15
0.667
8
0.722
16
0.659
9
0.714
17
0.652
10
0.707
18
0.644
11
0.699
19
0.636
12
0.691
20
0.628
Cá
TABLA T.9.01- COEFICIENTES A UTILIZAR SEGUN COEFICIENTES DE ROZAMIENTO
Cálculo de la fuerza de retroceso. En este caso el tema se complica ligeramente ya que el área útil es ahora la de la corona circular (A-A 0 ). En consecuencia:
F,, =fuerza teórica de retroceso. Frz =fuerza de rozamiento (10% de F1,). F" = fuerza real de retroceso. y se calcula por:
1t . [)2
Ftr = P · (A - A o) = P · ( -4-
Frz
=0.1 O . p . -
1t . D2
1t
- -4- ) = p . - 4
. (D2 - d2)
1t
. (D2 - d2) 4
1t
Frr = Ftr - Frz = P · -
· (D 2 - d2 )
4
1t -
O' 1O · P . -
. (D2 - d2 ) 4
F" = 0.707 · P · (D2 - d2 ) (B)
NOTA: Si los porcentajes de rozamiento fueran diferentes,puede utilizarse la tabla anterior (T.9.01). Dejamos al lector la posibilidad de aplicar estos razonamientos al cálculo de un actuador en tándem, para determinar la fuerza real, de avance o de retroceso.
126
..;'
1
9.5.1.2) Un ejemplo de aplicación Supongamos conocer los datos que figuran más abajo, y se nos pide calcular la fuerza real de avance y de retroceso de un cilindro. Datos: O= 63 mm.(diámetro del pistón). d = 20 mm.(diámetro del vástago). P = 6 bar= 600 kpa(presión relativa de trabajo). F, = 1O% de F1(rozamiento). Cálculo de la fuerza real de avance. Simplemente aplicamos la fórmula (A) para un rozamiento del 10%. Fra = 0.707 . P . 0 2 N
F,a =0,707 · 600.000- · (0.0632)m2 m2
,-Ao).
F,a = 1683,65 N= 168,36 kg. Cálculo de la fuerza real de retroceso. Aplicamos aquí la fórmula (B) para el mismo rozamiento.
Frr = 0.707 · P · (0 2 - d2 )
N
Frr = 0,707 · 600.000- · (0.0632 - 0.022)m2 m2
Frr = 1513,96 N= 151,40 kg. Como podrá apreciar el lector, el cálculo es bastante sencillo y puede por tanto, realizarse con facilidad. Sin embargo, muchas veces es necesario recurrir a métodos más expeditivos con el objeto de obtener resultados inmediatos que nos permitan, por ejemplo, elegir tal o cual diámetro, o situarnos en la dimensión necesaria. El método más rápido es el cálculo gráfico, y lo presentaremos a continuación.
ara
127
9.5.1.3) Cálculo gráfico. F[N]
30000
V ~~ ~;%/
0000
"800ii 4000 3000
~~
f= f= ¡¡~ ;¡::,: 1-- f-
2000 1-- f-
¡~
1 ~2«!~;
~~ ¡~~~¡,.
4Bar
W//'/
f;
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~/
/~:1
200
V
100 80
~~
•e-~~~ V lt:; V 10
3
4
S 6 7 8 910 12
tl(mm]
16 20 2S 323540 SO 6370
100 140
200 llUI
FIGURA 9.37 - DIAGRAMA PARA EL CALCULO DE LA FUERZA REAL DE UN ACTUADOR PARA UN CONSUMO POR ROZAMIENTO DEL 10% DE F.T.
El diagrama de la figura 9.37 permite obtener rápidamente el valor de la fuerza conociendo el diámetro del actuador y la presión de trabajo. Verifiquemos nuestro cálculo analítico con el uso del gráfico. Ubicamos sobre el eje horizontal el valor 63 mm. Subimos verticalmente hasta encontrar la recta diagonal de 6 bar (600 kpa). Por ese punto trazamos horizontalmente hacia la izquierda y hasta el eje vertical, otra recta. Sobre el eje interpretamos el resultado: aproximadamente 1700 N= F,a· El cálculo gráfico de la fuerza real de retroceso se realiza restando a la fuerza calculada, la que haría un actuador cuyo diámetro fuera el del eje, en nuestro caso 20 mm. Así obtenemos para ese diámetro: aproximadamente 160 N. Luego operamos:
F" = 1700 N - 160 N = 1540 N Advertencia: tenga en cuenta en la lectura de los valores del gráfico que se trata de escalas logarítmicas
9.5.1.4) Verificación al pandeo Hasta el momento, el hallazgo de la fuerza, ha sido nuestra única preocupación, sin embargo, la realidad, nos obliga también a pensar en la longitud o carrera del cilindro.
128
Con esta nueva variable, aparece también un nuevo fenómeno que debemos considerar: el pandeo. Una definición, rápida pero eficaz de pandeo, es la siguiente: es el colapso que sobreviene a una barra cuando se la somete a un esfuerzo de compresión. Decimos ahora que nuestro problema es el de verificación, pues, dimensionado un actuador a partir del diámetro y de la carrera necesaria para que cumpla con su función, es imprescindible asegurar que no se vea afectado por el pandeo. Si pensamos más profundamente en el asunto, descubrimos que existen cuatro formas compatibles con la realidad en que podemos vincular una barra. Estos son los cuatro casos de pandeo que representamos en la figura 9.38. Naturalmente, nuestra "barra" es un cilindro y como tal, no sólo se extiende sino que también presenta diferentes formas de sujeción o vinculación.
~
~
.l .I w
FIGURA 9.38 - LOS CUATRO CASOS DE FIJACION QUE DEFINEN LA TENSION DE PANDEO .
w
~
~
I .I
lo el
•
·ecta tical,
Surgen entonces las posibilidades que aparecen en la figura 9.39 y que hemos separado en cuatro ~rupos que coinciden con los cuatro casos mencionados.
1aría
•
Las letras en cada uno de los casos están relacionadas con el tipo de montaje y sujeción. r1iiil
L
alas
.
w
w
la
1
\'?::,
tF
L
G
F
\'?::,
T
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L
t F
G
FIGURA 9.39 - ESQUEMA REPRESENTATIVO DE LOS CUATRO CASOS DE PANDEO SEGUN LOS DISTINTOS MONTAJES POSIBLES.
Las líneas punteadas indican la forma que habría adoptado el eje del cilindro bajo el esfuerzo de
129
compresión si su flexibilidad hubiese sido suficiente. Esto ilustra con claridad la diferencia en la longitud de pandeo para los distinto métodos de montaje. Volviendo a la idea central de verificar si nuestra elección de carrera del cilindro está comprometida o no con el pandeo, debemos definir cual habrá de ser su forma de montaje. Con todos estos datos podemos trabajar de dos formas: una analítica(10 l y otra gráfica. Elegimos el camino más simple: la verificación gráfica. Lo haremos en forma general, aunque entregaremos al lector algún material para que pueda ser más específico en caso de quererlo. El diagrama de la figura 9.40 para la verificación al pandeo, está construido considerando el caso más desfavorable: empotramiento trasero y eje libre (caso AG). O sea que cuando usemos este diagrama (aún sin saber como habría de instalarse el cilindro) no nos vamos a equivocar!.
,;e: t-.::. ........
CARRERA 3
[mm]
2 DIAMETRO DEL VASTAGo
¡.;,.,j
1000 8 6 4
lX ¡.....,r..... . . . ~
4
-~-
2
10
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100 8 6
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5678911»
2
.....
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10
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t'- !"'¡....¡....
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......
........... ~ ¡............. -....... ~
............. ~'¡.....
~ ........ 1'
1'>,)"""
.......
¡..-
3 4 5678911111
2
3 4 56789HIXIO
•
2
3 4 567891lllXIO FUERZA [N]
FIGURA 9.40 - DIAGRAMA PARA LA VERIFICACION POR PANDEO
Procedamos con un ejemplo para explicar su funcionamiento y continuemos con el actuador del cual ya conocemos su fuerza. Sus datos eran: D =63mm, d =20 mm, P =6 bar y la fuerza calculada fue 170 kg (1700 N) (que es lo que deberá soportar el eje a la compresión). Con esta fuerza entramos en el gráfico (ubicándola en el eje horizontal). Debemos recordar para su ubicación que el gráfico es logarítmico. Trazamos ahora una vertical hasta conseguir la intersección con una de las rectas inclinadas que indican el diámetro del eje (en nuestro caso 20 mm). Leemos el valor de la máxima carrera posible sin pandeo en el eje de la izquierda: 220 mm. Si nuestro actuador trabaja con una carrera igual o menor a la encontrada, significa que no tendremos sorpresas con el pandeo. En la tabla T 9.02 que figura a continuación, puede llegarse al mismo resultado.
130
11P.Mde
ftjadones
L F
:i
A
S
p bar
S
G
e
e
o
8
o n
5 6 7
u
6 7 S 6 7 S 6 7 5
T
6 7
L F
S
e
G
o
L F
6 7 5 6 7 5 6 7 5
G
6 7
DIAMETRO DEL CILINDRO (mm) 40 50 25 32 63
20 490 450 410 210 1110 170 440 400 360 980 890 820 480 430 400 1420 1280 11110 670 600 560 2050 1860 1730 890 890 830
470 430 390 190 170 150 420 380 340
570 520
470 240 220 190 520 470 430 1140 1030
780 710 650 340 300 270 720 650 600
610 550 500 250 220 190 540 490 440
7:>0
80
100 880
660
800
620 310 270 240 680 610 550
730 370 330 290 780 700 640
::'El i]¡:' " ;,~i ;~;: 1":;:[f:!! ; ¿;;
!T!¡;t+~t~;.i¡¡,;t'::
950 i ;
;;:;;¡ :;:;;¡¡ jé
440 400 360 1360 1230 1130 640 570 520 1960 1790 1650 940 850 780 960 12 10
550 490 450 1630 1490 1370 770 700 640 2360 2150 1990 1140 1030
630 580 520 260 230 210 570 510 460
800 1020
720
930
660
850
1790 1630 1500 850 770 700 2660 2380 2200 12SO 1140 1050 16
2260 2060 1900 1080
a bar DIAMETRO DEL VASTAGO (mm)
1180 900
3390 2960 2750 1580 1440 1320 20
780 710 650 1770 1610 1480 830 750 680 2570 2340 2160 1230 1110 1020 20
970 880 810 2190 111110 1840 1020
1130 1010 930
2530 2300 2120 11110 1120 1080 850
1190
3170 2900 2670 1520 1380 1270 25
3670 3350 3090 HtiU
1600 1470 30
TABLA T 9.02 - CARRERAS MAXIMAS (SIN PANDEO) SEGUN LAS FORMAS DE MONTAJE.
Ubique el lector el caso "A" y dentro de él la letra que corresponde a brida trasera y extremo libre (es lag) y vea que para los mismos datos surge una carrera máxima de 220 mm. Estas tablas deben ser provistas por el fabricante y permiten conocer con más precisión la longitud crítica de pandeo
9.5.2) Cálculo del consumo. Uno de los cálculos más importantes de un actuador es conocer su consumo "0".
a: 00
Esto equivale a la cantidad de aire que debe aspirar el compresor para accionarlo durante un período determinado. Desarrollemos dos formas de cálculo: el analítico y el gráfico.
9.5.2.1) Cálculo analítico.
e
c
c
Supongamos tener un actuador de simple efecto como el de la figura 7.34. El consumo se calcula oor la fórmula: O=n·s·A·R
donde:
n = Frecuencia de trabajo (veces por unidad de tiempo en la que se repite la carrera). s =Carrera. A = Area transversal. R = Relación de compresión.
131
r
Si el actuador fuera de doble efecto (caso de la figura 9.36), el consumo estaría dado por: 0=2·n·s·A·A donde cada uno de los parámetros son idénticos al caso anterior. Es necesario aclarar en este punto lo siguiente: 1) La fórmula anterior permite calcular un caudal aproximado por exceso (pues no se considera el volumen que ocupa el eje). Se adopta por simplicidad. 2) La relación de compresión surge del hecho que representa llenar una cámara ocupada con aire a 1 bar absoluto. A manera de demostración asumamos una constancia de la temperatura entre el estado inicial (aire atmosférico) y el estado final (aire ya comprimido).
.;;1
Nuestro problema sería conocer que volumen tenemos que aspirar para mover el actuador una vez. Así tenemos: donde:
i =inicial
y
f =final
Incógnita: V,
Además: Datos:
P, = 1 atm. 1.013 bar P1 = 6 bar + 1.013 (asumiendo 6 bar como presión relativa de trabajo. V1 =A.S despejando tenemos:
P,.v, V=----
'
Si al cociente
P¡P, lo llamamos A (Relación de compresión), reemplazando resulta:
V,= A· A· S Si en ambos miembros multiplicamos por n (donde n es la frecuencia), la igualdad matemática no altera pero nos da la oportunidad de otra interpretación física: n · V, = n · A · A · S = A · S · n · A El primer miembro representa el volumen admitido por unidad de tiempo, es decir el caudal y el segundo, los términos que figuran en la fórmula compuesta. Si reemplazamos por las presiones ordinariamente utilizadas, es decir 6 bar (600 kpa), podemos calcular un valor para A: 7.013 bar
A=
=
6.923 (adimensional)
1.013bar
132
Con el objeto de ilustrar al lector para que pueda aplicar con tranquilidad esta fórmula debemos aclarar dos puntos más: 1) La frecuencia "n" a la que hemos hecho referencia debe pensarse como ciclos, sin detención del cilindro, en las cuales la velocidad de salida y retroceso son iguales( 11 l. 2) El consumo, depende también, del estado de carga del actuador.
e
Obsérvese que cuando hicimos el desarrollo para justificar la presencia del factor R "relación de compresión" en la fórmula del consumo, supusimos que la presión final era de 6 bar relativos, hecho que supone carga completa. Sin embargo, habitualmente, el cilindro nunca trabaja al1 00% de sus posibilidades, y si 1c hace en una de las carreras puede que no lo haga en la otra. Es decir que no siempre la presión que tornará activo el cilindro es la máxima de trabajo. Esto demuestra que si la presión es menor, el factor R será menor y en consecuencia el consumo final también será menor. Cabe mencionar que si no consideramos los estados de carga y suponemos como tales el 100%, el error que cometeremos será en exceso y esto es siempre más aceptable que cometerlo por defecto. Completemos con un ejemplo de aplicación el cálculo del consumo: Sea el actuador del ejercicio anterior, supongamos que tiene una carrera S= 220 mm y trabaje con una frecuencia n = 30 ciclos por minuto. Recordemos que D = 63 mm, d = 20 mm y P = 6 bar. Debido a que el actuador en cuestión es de doble efecto, debemos aplicar: 0=2·A·S ·n·R
donde
A= ( 1t /4} · (o.63 dm}2 = 0.31 dm2 S
=220 mm = 2,2 dm
n = 30 · 1/min R = 6,923 ,...:
Reemplazando resulta: 3 6.923
Q = 2 · 0.31dm
2
•
2.2dm. 30
dm
283.29 min
e
mes
lit.
. 283 - - min
min
9.5.2.2) Cálculo gráfico del consumo de un actuador neumático rectilíneo. Debi.do a la cantidad de parámetros que intervienen en el cálculo, para operar sin problemas se -ecurre a un gráfico sencillo que se muestra en la figura 9.41 y que permite determinar el volumen por unidad de '
Para cilindro de doble efecto: 0=2·q·n·s
133
r
donde el significado de "n" y "s" es el mismo que en el caso anterior. 1~
Verifiquemos gráficamente nuestro cálculo analítico para demostrar el uso del diagrama.
lO 8 [lfcml
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4
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V: ./
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8 9
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e[rnrn] 1
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20
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32 35 40
50
63 70
100
200 250 300
FIGURA 9.41 - DIAGRAMA PARA EL CALCULO DEL CONSUMO DE UN ACTUADOR NEUMATICO RECTILINEO.
-e
Ubicamos el diámetro del actuador y a partir de allí elevamos una perpendicular hasta la presión de trabajo (relativa). Salimos desde allí hacia la izquierda, interpretando el valor de "q" en litros/cm y reemplazamos en la fórmula correspondiente. Para 63 mm y 6 bar corresponde q = 0.21 litros/cm luego: lit
Q = 2 · 0.21
30
cm
litros
= 277 - - -
· 22 cm · min
min
La diferencia se debe a errores de apreciación del valor de "q" en el gráfico.
9.5.3} Cálculo de actuadores de acción rotativa Nos proponemos aquí, para el cálculo de estos actuadores, seguir los lineamientos que usamos con los actuadores rectilíneos. Resulta claro advertir que en este caso, no es posible hablar de fuerzas sino que debemos referirnos a ''torque", "par torsor'' o "momento actuante", en tanto y en cuanto querramos referirnos al efecto que produzcan.
134
y
-
además, como en el caso de los actuadores lineales, aquí también tenemos energías puestas en juego y resulta interesante advertir que existe cierta similitud en el cálculo de esas energías. Veamos con fórmulas estas coincidencias: Fuerza movimiento rectilíneo momento o torque
F =m· a
Mo =J. ct
Energía cinética para el mov. rectilíneo Energía cinética para el mov. rotativo
•
E=Y2m· V2 E=Y2·J·
Observemos que J guarda una estrecha relación con la masa (m} del movimiento rectilíneo. La j se denomina "momento dinámico" o "masa de giro" y está directa y estrechamente relacionada con otra variable J denominada "momento de inercia" a través de la fórmula J = j . Ro, donde Ro es la masa específica (es decir la masa por unidad de volumen} Debe prestarse mucha atención a esto pues j (11 l (momento de inercia} expresa un concepto dimensional y J (momento dinámico o masa de giro} expresa un concepto físico que involucra las características del material asociado al giro.
9.5.3.1) Cálculo del actuador necesario En base a lo visto es necesario conocer el torque que debe superar nuestro actuador y la energía cinética que habrá de desarrollar. El torque necesario deberá ser un dato surgido de la aplicación y podrá elegirse el modelo a partir de una tabla o gráfico (ver figura 9.42} que todo fabricante tiene la obligación de ofrecer, en la que deberán figurar: torque en Nm (o en Kgm}, presión de trabajo y modelo. Si el actuador va a ser usado en forma tal que todo el torque entregado va a ser constantemente absorbido (como por ejemplo para mantener en movimiento líquidos muy viscosos}, nuestro cálculo termina aquí (12l. Es decir: entramos con la presión de trabajo y con el momento torsor '1ecesario y elegimos la curva que está por encima para salir con el modelo.
C€
1CS
Observación importante: Si el punto de intersección estuviera muy por debajo de la recta correspondiente, se justifica bajar la presión para hacer coincidir el momento torsor entregado con el momento torsor necesario y evitar así fenómenos de tipo dinámico. CRB50/CDRB50
~
. ~ . ]
o
~ ~
¡
CRBS0-100/CORB100 CRB~
120 110
~.
1: 80 70
50 40 30 20 10
o
PRESION klf'/cml ---
1
•
8
4
~
1 2 3 4 5 6 1 8 9 !O
•
~
¡::
60
•
.
¡¡o
~
BSO
3 2 1
o
~ 1 2 3 4 S 6 1 8 9 10
FIGURA 9.42 - EJEMPLO DE GRAFICO EN EL QUE SE ELIGE EL MODELO DE ACTUADOR ROTATIVO A PARTIR DE LA PRESION Y MOMENTO TORSOR NECESARIO
raESION...,.Z --
-
--
Si en cambio el actuador, durante su carrera de trabajo desarrollara alguna velocidad importante, jeberemos tomar en cuenta su momento dinámico o masa rotante.
::~
. ... _
""1·~
sa
Como sabemos, la "masa rotante" depende del momento de inercia y del material puesto en juego, :• el momento de inercia a su vez, depende de la forma que tenga esta masa rotante. Para explicar más claramente el cálculo , se da a continuación un bosquejo general que luego
135
complementaremos en particular. El objeto del cálculo es elegir el actuador adecuado a la circunstancia de trabajo. Para ello debemos conocer: la velocidad angular (w)( 13l o el tiempo que tarda en cubrir un ángulo de 90º, el momento de inercia j, y el peso del cuerpo asociado a la rotación. Con estos datos, si tenemos w, calculamos el tiempo para =90º y con los demás calculamos la masa rotante (J). Con estos dos datos entramos en el gráfico de la figura 9.43 y determinamos el modelo respetando las mismas reglas que en el gráfico anterior.
CRB50 80 100
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o
~~ 0.2 . 0.4 . . . 0.8 . . .1 l. l.~ l. l. 0.010.020.030.040.05 0.06 0.07 0.080.QIJ0.100.ll 0.120.110.14 0.15
ouoo•CkH.HO, 100
0.!7••CRD.'O
MOMENTO DE INERCIA kgf.cm.s2
FIGURA 9.43 - GRAFICO PARA ELECCION DEL MODELO DE ACTUADOR ROTATIVO
9.5.3.2) Detalle del cálculo de la "masa rotante" J Este cálculo puede realizarse con relativa facilidad a partir de la ayuda que nos proporcionan las figuras 9.44 a, b, e, d, e, f, g, h, i, k, l.
9.5.3.3) Cálculo del consumo El cálculo del consumo, como en el caso anterior, tiene mucha importancia y puede hacerse fácilmente utilizando la fórmula:
0=2*V*n*R
donde
V =Volumen del espacio a llenar para conseguir el giro permitido en un sentido n =Frecuencia del movimiento en los que no se cuentan los tiempos de detección. R =Relación de compresión final versus inicial.
136
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FIGURA 9.44 - FORMULAS PARA CALCULO DE LA INERCIA EN DIFERENTES FORMAS BASICAS
137
..
LLAMADAS AL CAPITULO IX. (1) En algunos casos la fuerza de reposición puede provenir de una fuente externa y por tanto no podría hablarse de "medio elástico". (2) Este "respiradero" permite el trabajo normal del cilindro, pero también hace que el aire atmosférico ingrese sin tratamiento alguno al cilindro.
(3) Existen otras formas de resolver el problema pero son externas al actuador, por ejemplo: los famosos amortiguadores hidráulicos más conocidos por "shock absorber''. En estos casos tiene mucha importancia el diseño mecánico al que indefectiblemente los actuadores neumáticos están asociados. (4) Cabe aclarar que el giro se mantendrá hasta el tope o hasta el momento en que se invierta la alimentación (siempre que esta inversión se haga antes de alcanzar el tope). (5) Obsérvese que una herramienta manual que llegue a trabarse , queda bloqueada sin riesgo adicional para el usuario ni para ella.
(6) Debe tenerse presente que el actuador en este caso, sea apto para recibir aceite en lugar de aire, y que la válvula reguladora sea hidráulica en lugar de neumática. (7) ldem (6) más la condición de aceptar presiones mayores a las que soporta, como máxima, el actuador neumático. (8) Este cálculo es muy poco realizado por dos razones: la primera porque el cilindro de simple efecto es poco utilizado y la segunda porque casi todos los fabricantes proveen tablas donde ponen de manifiesto las fuerzas máximas de sus actuadores, para distintas presiones de trabajo. a~
(9) La fuerza de rozamiento depende del tipo de construcción y de la calidad del actuador. Oscila frecuentemente entre un 7% y un 20% de la fuerza teórica que desarrolla en ese momento. Esto más que categórico es un criterio de aproximación pues hay construcciones cuyas características son: de bajo rozamiento y casi independiente de la fuerza ejercida. Para conocer la fuerza en estos casos, aconsejamos consultar las tablas que provee el fabricante.
po
(10) Nos referimos a las fórmulas de Euler y de Tetmayer. Si el lector tiene interés en profundizar este tema puede consultar cualquier manual de elementos de máquinas. (11) En el caso en que el actuador tenga velocidades distintas en el avance y el retroceso, o permanezca inactivo un período en cada ciclo, habrá que considerar el cálculo como lo haremos a continuación sobre un ejemplo: Supongamos que un cilindro de 50 mm, avanza con una velocidad Va= 200 mm/seg y retrocede con V,= 300 mm/seg después de lo cual permanece detenido 0,92 segundos. Su carrera es de 250 mm. Procuramos conocer cual habrá de ser su consumo instantáneo y cual su consumo promedio en el período que tarde en repetir el ciclo.
~
cu
SÍI
Cálculo del consumo instantáneo.
al
a) Carrera de avance: 3 dm
Qa =Va· A· R = 2 - - · 0,196 dm
dm
2
•
IHros
6.9 = 2,708 - - = 162,5
seg
seg
138
minuto
1t
dondeA = 0 2
r
·
- - = 0,785 · (0,5} 2 dm2 = 0,196 dm2 • 4
b} Carrera de retroceso: 3
e
dm
a,= V,
2
· A · R = 3 - - . O, 196 dm
•
litros
seg
minuto
6.9 = 4,057 - - = 243,4 - -
seg
)5
dm
El caudal a se mantiene casi constante durante el tiempo que tarda en avanzar y que puede calcularse por:
~5
S
ta =-V- =
250 mm 200 mm/seg
=1,25 seg.
a
la
Idénticamente a,, se mantendrá casi constante durante el retroceso.
=0,83 Seg.
lgo
tr =--V =
lire,
El tiempo total del ciclo es: t8 + t, + tq =3 segundos.
1
i,
S
Durante la diferencia, es decir 3 seg - (1 ,25 seg + 0,83 seg) =0,92 seg no se verificará ningún consumo.
el
El consumo promedio am será:
ecto plas
~scila
que
iento
ante.
dizar
o, o ción
cede
oen
250mm 300 mm/seg
1
1
seg
seg
2,708 - - . 1,25 seg + 4,057 - - . 0,83 seg +o . 0,92 seg Qm
=
- 2,25 litros/seg =135 litros/minuto 3 segundos
Es necesario aclarar que la potencia neumática deberá estar disponible en forma puntual motivo por el cual aconsejamos en estos casos atender la demanda más alta. (12) Puede hablarse del momento de inercia de un arco, de un área o de un volumen. El momento de inercia se define como el producto de un elemento diferencial de cualquiera de los elementos mencionados por el cuadrado de la distancia a un eje extendida a toda la porción de elemento involucrado.
(13) Atención, puede ocurrir en casos especiales que durante el movimiento de retorno se desarrolle alguna velocidad importante con lo cual será necesario tomar en consideración el cálculo que se debe realizar cuando la velocidad es importante. (14) La velocidad angular a tomar para ángulos mayores de 909 no puede ser la velocidad media,
sino la instantánea que tendría al finalizar el movimiento. como aproximación aceptable w1 puede tomarse igual al doble de la w promedio.
139
CAPITULO 11 2) PRODUCCION DEL AIRE COMPRIMIDO OBJETIVO DIDACTICO: A) Que el lector conozca la variedad de medios para comprimir el aire. B) Que el lector se oriente sobre los parámetros más importantes para decidir su elección.
2.1) ¿COMO SE COMPRIME EL AIRE? El objetivo que se persigue con la compresión de un gas (en nuestro caso el aire) es aumentar su energía interna, con la intención de usarla conveniente y oportunamente. Las máquinas que se usan con este propósito reciben el nombre genérico de compresores y se clasifican por !a forma en que puede obtenerse dicha energía. Distinguimos dos grandes grupos: los compresores de desplazamiento positivo y los compresores dinámicos. En los del primer grupo el aumento de presión se consigue disminuyendo el volumen de una determinada masa de gas. En los del segundo, el concepto cambia, el aumento de presión surge como consecuencia del aumento de energía anética, que ha conseguido comunicársele al gas. Jentro de estos grandes grupos, existen subgrupos con características bien definidas, en cuanto a su principio ::e funcionamiento y a su comportamiento.
DINAMICOS FIGURA 2.01 CUADRO SINOPTICO DE COMPRESORES
_a ~·;ura
2.01 nos dará una idea más clara del espectro de compresores.
2..2) COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO.
U..1) De acción rectilínea. Compresores de pistón. ~ e ·nás conocido y difundido de los compresores. Lo esquematizamos en la figura 2.02 en su versión más !l!rCll.a. Su funcionamiento es muy simple y consiste en encerrar en el cilindro una determinada cantidad de aire C1.E -.a '!"lgresado por la válvula de admisión), disminuir su volumen por desplazamiento del pistón y entregarlo • :::t"S-'"!10. (o almacenamiento) a través de la válvula de escape.
39
FIGURA 2.02 ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN COMPRESOR MONOCILINDRICO.
o
El esquema anterior corresponde a un compresor de una sola etapa, aunque es posible construir compresores de varias etapas. El más común es el compresor de dos etapas, mostrado en el croquis de la fig. 2.03 con construcción en "V". Puede observarse que entre la primera etapa, conocida generalmente como etapa de baja, y la segunda, conocida también como etapa de atta, existe la posibilidad de refrigerar el aire. Esto suele aprovecharse para mejorar la prestación del compresor, ya que de no hacerlo el aire ingresaría caliente en el segundo cilindro y por lo tanto con menor masa por unidad de volumen. Por otra parte, descubrimos también, que la segunda etapa "aspira" aire a mayor presión que la atmosférica. Si aceptamos la idea de que por el compresor deberá circular la misma masa de gas al tiempo que exigimos sobre la bielas un esfuerzo de magnitud comparable, resulta para la segunda etapa un volumen menor que para el de la primera.
FIGURA 2.03 ESQUEMA DE UN COMPRESOR BICILINDRICO CON REFRIGERACION INTERMEDIA (DISPOSICION EN "V")
',1 \ ... __ /¡;S ,' 1
40
Lo dicho, implica la utilización del movimiento alternativo en un solo sentido, sin embargo exist·:;r, c:onst;uccior.es que permiten aprovechar los dos: el de ida y el de regreso. La figura 2.04 nos muestra un compresor de disposición en "L", de dos etapas, en e! que se aprovechan :os movimientos mencionados.
o
Las configuraciones existentes, en cuanto a compresores de pistón se refiere, son muy numerosas. En forma de breve reseña citaremos algunas: monocilíndrico (horizontal y vertical), en "V", en 'W', opuestos, escalonados, en "L" y pendular. Es interesante destacar que las construcciones vistas corresponden a todo un grupo de compresores llamados de "pistón lubricado". La misma situación se repite para todas las versiones de "pistón seco", es decir sin lubricación.
o FIGURA 2.04- ESQUEMA DE UN COMPRESOR BICILINDRICO CON REFRIGERACION INTERMEDIA (DISPOSICION EN "L").
La principal característica de este tipo de compresores es que pueden producir aire comprimido exento de aceite(1l, y por lo tanto puede elegirse para usos donde éste pueda resultar un contaminante del producto procesado.
En general los compresores de pistón (seco o húmedo) tienen una posibilidad operativa muy amplia desde :resiones moderadas y caudales insignificantes, hasta grandes presiones y grandes caudales (1 000 bar y 25000 ...,-3/hora). Constituyen la solución formal para casi cualquier problema de compresión, por ese motivo son también es más difundidos.
O
O
FIGURA Nº 2.05- ESQUEMA DE UN COMPRESOR DE MEMBRANA
2.2.2) Compresores de diafragma ~enecen al grupo de los de desplazamiento rectilíneo y consisten en una membrana (o diafragma) capaz de red ficar el volumen existente sobre ella por la acción de una corredera (pistón) solidaria a la misma desde la ;;;::-:e inferior.
:: ::-:quis de la figura 2.05 nos aclara el principio de funcionamiento. Su principal característica es la de comprimir l!i~ s ... que exista la posibilidad de contaminación con el aceite de lubricación. Sus posibilidades se limitan a bajos ::a_,::.ates y a presiones moderadas.
41
2.3) COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO- ROTATIVOS 2.3.1) De un rotor. Compresor de paletas Este compresor es de funcionamiento muy sencillo. Sus características constructivas también son simples. Consiste esencialmente en un rotor, que gira excéntricamente dispuesto con respecto a un estator capaz de contenerlo (Ver figura 2.06). Sobre el primero, y radialmente dispuestas, existen paletas que limitan un determinado volumen al ''tocar" constantemente sobre el cuerpo (estator). Este volumen, como puede apreciarse, disminuye en tanto el giro progresa, desde la entrada hacia la salida consiguiéndose así la compresión.
FIGURA 2.06 - ESQUEMA DE UN COMPRESOR ROTATIVO DE PALETAS.
Este tipo de compresores, tienen como principales características, marcha silenciosa, grandes caudales y presiones moderadas y fijas según su construcción.
2.3.2) Compresor de lecho fluído Este compresor, también conocido como de anillo líquido, basa su principio de funcionamiento en el anterior compresor de paletas, sólo que ahora el estator está reemplazado en su función por un anillo líquido. Esta forma es la que adopta el líquido que constituye el lecho fluido en función de la fuerza centrífuga. El espesor de este anillo líquido corresponde casi exactamente a la altura de las paletas, motivo por el cual estas ahora son fijas. Al girar el rotor las paletas fijas se hunden progresivamente en el lecho fluido disminuyendo de esta forma el volumen encerrado entre ellas y produciendo la compresión. Ver figura 2.07.
FIGURA 2.07 - ESQUEMA DE UN COMPRESOR ROTATIVO DE LECHO FLUIDO
La característica más importante es que al tener el lecho fluido (generalmente agua), la compresión se realiza casi a la misma temperatura ya que ésta actúa como refrigerante.
42
2.3.3) Compresor de tornillo simple No son en general muy difundidos, pero a los efectos de completar el cuadro general de compresores, haremos aquí algunos comentarios.
Se trata de un tornillo que gira sobre su eje y sobre el que engranan, simétricamente dispuestos dos rotores planos que hacen las veces de
Q
compuerta. El filete al desplazarse va "amontonando" el aire hacia la salida.
o FIGURA 2.08- VISTA SIMPLIFICADA DE UN COMPRESOR DE TORNILLO SIMPLE
2.4) De dos rotores 2.4.1) Compresor de tornillos En la construcción de este tipo de compresores intervienen dos tornillos de características distintas, en cuanto a su perfil se refiere: uno es cóncavo y el otro es convexo. En la figura 2.09 podemos apreciar, en perspectiva, como el filete de uno de los tornillos penetra casi completamente en el otro durante su rotación. El arrastre del aire producido de esta forma, es el que lo hace comprimirse y lo empuja a la salida. El aspecto de los tornillos, en realidad, se acerca bastante al croquis que presentamos en la figura 2.1 O. La característica más importante de este tipo de compresor de tornillos es que su funcionamiento es relativamente silencioso, produce grandes caudales y su presión puede llegar a ser elevada dependiendo de su construcción. En algunos casos suelen combinarse en dos "estaciones" de compresión, donde una alimenta a la otra (como en el caso de los de pistón). De esta forma pueden conseguirse presiones de hasta 22 bar. En general trabajan bajo una constante inyección de aceite , que tiene la función de sellador y refrigerante, aunque también existen los que trabajan en seco.
FIGURA 2.09- VISTA QUE MUESTRA COMO TRABAJAN LOS FILETES DE UN COMPRESOR DE DOS TORNILLOS
43
FIGURA 2.10- ESQUEMA DE UN COMPRESOR DE DOS TORNILLOS.
1
1
FIGURA 2.11 -ESQUEMA DE UN COMPRESOR ROOT
44
l.
2.4.2) Compresor ROOT Otra interesante construcción de dos rotores se debe a Root. Este compresor presenta dos lóbulos cuyo perfil permite la rotación simultánea y la constante penetración de uno sobre el otro. Esta situación hace que quede encerrado en forma sucesiva un determinado volumen de aire que disminuye hacia la salida a medida que el giro se produce. La figura 2.11 nos muestra un croquis en el que podemos apreciar su funcionamiento. Debido a la brusca disminución del volumen, estos compresores son muy ruidosos. Brindan un caudal significativamente alto pero a presiones muy bajas.
'7\q
Es por esta característica que se lo conoce más comúnmente como soplador Root y no suele utilizarse para automatización.
2.5) COMPRESORES DINAMICOS 2.5.1) Turbo compresor radial Como su denominación lo indica, este compresor .,Jnciona en forma muy semejante a una turbina, sólo :rJe aquí los álabes en lugar de producir trabajo, lo consumen.
'V}
B recorrido del gas se realiza, entre etapa y etapa, sguiendo un camino radial, de allí su nombre.
~
FIGURA 2.12- ESQUEMA DE UN TURBO - COMPRESOR DE EJE COMUN
E gas proyectado contra la carcaza transforma su e"'ergía cinética en energía de presión.
"!":mado de la atmósfera, el aire va recorriendo todas las etapas de compresión. Puede advertirse que a medida :a.e se van superando etapas, la presión acumulada aumenta con la consiguiente disminución de volumen por rrdad de masa. ::ecoendiendo del tipo de construcción, pueden conseguirse resultados más aceptables desde el punto de vista :e .a energía consumida . .....: "'gura 2.12 nos presenta una construcción esquemática de eje común en la que todos los álabes son de igual lierletro y giran a la misma velocidad angular.
E-- cambio la figura 2.13 nos muestra otra configuración . .la.. .as turbinas se presentan en forma independiente pero interconectadas entre sí de acuerdo con el progreso 2:
a compresión.
Esa :::sposición permite dimensionar la etapa de acuerdo con su función además de permitir la refrigeración entre .ca::a _..,a y la siguiente mejorando de esta manera su rendimiento.
E- ;e-eral este tipo de compresores permiten manejar grandes caudales a grandes presiones (220000 m3/h y XC
:a·. como máximo).
45
FIGURA Nº 2.13 - ESQUEMA DE UN TURBO COMPRESOR DE EJE MULTIPLE CON REFRIGERACION INTERMEDIA
2.5.2) Turbo compresor axial El principio de funcionamiento se este tipo de compresores es muy simple: el aire es impulsado por las paletas según el sentido del eje (de allí su nombre). La construcción que se muestra en la figura 2.14 responde a un sencillo croquis en el que pretendemos aclarar su funcionamiento. En realidad los montajes más utilizados corresponden a una sucesión de etapas en la que cada una sirve a la siguiente. Este tipo de compresores tienen como característica principal la posibilidad de entregar un caudal muy importante (500000 m3/h), pero como contrapartida digamos que su presión máxima excepcionalmente llega a los 4 bar.
o
Esta razón exime a este compresor de su uso en automatización.
FIGURA 2.14 - SOPLADOR AXIAL
46
2.6) SELECCION DEL COMPRESOR En el caso de necesitar un compresor, ¿cómo habríamos de elegirlo?. Los puntos que intervienen en la respuesta son numerosos e importantes. Una muestra elemental bastará para tomar una idea: presión máxima y mínima pretendidas, caudal necesario, crecimiento previsto de la demanda, condiciones geográficas (altitud, temperatura, etc.), tipo de regulación, espacio necesario, tipo de refrigeración y accionamiento. Cabe señalar que este tipo de preguntas se orientan a definir a un compresor estacionario, sin embargo no debe descartarse la posibilidad del uso de un compresor portátil. Esta situación se da en los casos de campaña donde deben realizarse operaciones con la ayuda del aire comprimido. !2l
2.6.1) Presión La elección de la "presión máxima necesaria de utilización" es uno de los parámetros principales que permitirá la acertada elección del compresor.
La "presión máxima de utilización" la determina el equipo más exigente al que habremos de entregar aire. La elección recaerá finalmente en aquel compresor que satisfaga la "máxima presión de utilización" a la vez que .os requerimientos de los otros parámetros.
2.6.2) Caudal :.Uando se habla de caudal, el tema parece estar claro, sin embargo es bien diferente hablar del caudal que el ::ompresor puede suministrar y del caudal necesario para el correcto funcionamiento del equipo de la planta. :_...,el primer caso no debe confundirse caudal suministrado con desplazamiento (para el caso de los compresores :e pistón). Casi en general el suministrado es menor que el desplazado. !3l :.~ el segundo caso, la posición del usuario es más clara; debe pedir el caudal real para dar satisfacción a sus
-.ecesidades. Jt_tzás la tarea más difícil es conocer esa realidad. En una primera intención parece fácil pensar que el consumo D'.al es la simple suma de los consumos parciales, sin embargo esto no es cierto dado que el consumo no es
:::l""t'nuo sino alternado.
5e
~.ace necesario, entonces, hacer un estudio de las superposiciones del funcionamiento de los equipos para
~inar
un "factor de simultaneidad."
=.- ;eneral este cálculo no es para nada exacto por lo que resulta conveniente, frente a varios resultados, adoptar ~
-as exigente.(mayor caudal).
~~
más adelante algunas formas de cálculo para determinar el consumo de actuadores rectilíneos.
2...6.3) Accionamiento
::tr-: :e .os temas a considerar en la elección es el accionamiento. Es prudente individualizar el lugar donde habrá :e :cccrar el compresor para evitar contratiempos. :: :ccc,...a..,..,fento podrá ser un motor eléctrico compatible con el suministro del lugar de utilización o con motor
:e :::r-o. .st>ón interna, ya sea de ciclo Diesel o de ciclo Otto.
47
2.6.4) Regulación En la mayoría de las instalaciones industriales para automatización, la presión del aire debe mantenerse dentro de un rango predefinido. En el caso de alguna variación en el consumo general de la planta, como por ejemplo una parada de máquina, el compresor seguiría operando y como consecuencia elevando la presión de la línea. Es necesario entonces limitar este crecimiento deteniendo el suministro de aire. Una situación parecida se produce cuando la instalación sin suministro va paulatinamente entregando su energía acumulada; la presión va disminuyendo constantemente. También aquí es necesario limitar esta situación iniciando el suministro nuevamente. Se advierte con claridad que este hecho es cíclico y depende de parámetros tales como: el caudal del compresor, el caudal consumido, el volumen de aire almacenado y el rango de presiones en el que se permite la fluctuación. Estudiaremos, a continuación, algunos sistemas que permiten controlar estos parámetros: Los procesos de regulación pueden clasificarse en: - Marcha en vacío. - Carga parcial. - Marcha intermitente.
2.6.4.1) Regulación por marcha en vacío Este tipo de instalación está orientada a 1r.terrumpir el suministro de aire comprimido, que proporciona el compresor, sin detener el mecanismo con el que se obtiene. Existen tres versiones para conseguir este tipo de regulación: A 1) Por apertura de la válvula de admisión: el proceso de compresión no se cumple, pues esta válvula se encuentra abierta, devolviendo el aire a la atmósfera por el mismo lugar por donde este había sido tomado. A2) Por conexión del escape a la atmósfera: en lugar de conducir el aire al almacenamiento, se lo arroja a la atmósfera, haciendo de esta manera que el compresor trabaje descargado. A3) Por estrangulación de la toma de aire: el compresor no aspira aire, y por lo tanto no comprime: marcha en vacío.
2.6.4.2) Regulación por carga parcial El objetivo que se persigue con esta regulación es el de producir un caudal similar al que se consume. En este caso encontramos dos formas de conseguirlo. B1) Por rotación: gobernando las vueltas a las que gira el compresor, gobernamos también el caudal que suministra. Hay que atender en este caso el tipo de accionamiento a utilizar. (el accionamiento eléctrico es poco práctico.) B2) Por estrangulación parcial: a manera de restricción regulable, permite controlar el aire aspirado, y por lo tanto, el suministrado.
2.6.4.3) Regulación por marcha intermitente Con este tipo de regulación se interrumpe el suministro, por detención total del mecanismo de compresión,
48
cuando se alcanza la presión máxima. La marcha se reanuda cuando el consumo hace bajar la presión hasta la presión mínima. Generalmente se aplica a compresores accionados eléctricamente y de baja potencia (hasta 5 kilowatts aproximadamente}.
2.6.5) Refrigeración Cuando de refrigeración se trata, debemos estudiar dos conceptos que no deben confundirnos. Uno de ellos corresponde a la refrigeración del equipo en sí y el otro a la refrigeración del gas que se está comprimiendo. La refrigeración del equipo suele ser por aire o por agua. a) Por aire: reconocemos este caso por la pared externa aletada de los cilindros. Normalmente se hace circular aire a través de dichas aletas. b) Por agua: el cilindro se encuentra rodeado por una camisa por la que circula agua. Esta posibilidad implica considerar la instalación complementaria: torre de enfriamiento, bombas, depósito, etc.
En cuanto a la refrigeración del gas, en lo que al compresor respecta, aparece casi siempre en los casos que eJ compresor multietapa. Es decir, se enfría el gas naturalmente calentado por la compresión, con el objeto de orocesar más masa en la etapa siguiente y mejorar así su rendimiento. PRESION
bar 500 ~
1
100
-
50 2
101
~~
~
4
J
15
1
0.5 3 100
1000
,__ 10000
-
F 100000
CAUDAL
m3Jh
1.- Compresor de piston 3.- Compresor de paletas 2.- Compresor de doble tornillo 4.- Turbo compresor radial 5.- Turbo compresor axial FIGURA 2.15 - GRAFICO INDICATIVO DE ZONA DE UTILIZACION DE COMPRESORES
49
2.6.6) Instalación En el caso de compresores estacionarios, es muy importante el lugar donde habrán de instalarse. Este debe ser aireado y amplio para permitir maniobras de mantenimiento con comodidad. En cuanto a la fundación hay dos criterios; uno de ellos es amarrar el compresor a una base flotante de cemento armado cuyo peso supere, por lo menos, en cuatro veces el peso del equipo. El otro es hacer un montaje flexible con bases antivibratorias. Esta última posibilidad es efectiva y económica.
2.6. 7) Rangos de utilización Independientemente de las características particulares, es posible tener una idea del tipo de compresor a utilizar conociendo previamente nuestra demanda. Así el diagrama caudal-presión de la figura 2.15 nos permitirá ubicar el tipo de compresor que mejor se adapte a nuestras necesidades. Sólo si nuestra demanda cae en la zona grisada, que es común a varios tipos de compresores, deberemos profundizar nuestro análisis.
LLAMADAS AL CAPITULO 11 (1) En realidad el aire puede contener pequeñas cantidades de aceite en forma de aerosol. Este aceite puede ser aspirado por el compresor aún en el caso de poseer un buen filtro de aspiración. En el capítulo V nos ocuparemos del tratamiento del aire para cuando sea necesario proteger los equipos de impurezas. (2) En las canteras, donde deben perforarse boquetes para el explosivo se utilizan perforadoras neumáticas que, como es lógico, deben alimentarse con aire comprimido. Las unidades compresoras móviles sirven para estos casos. Generalmente la unidad motriz es un motor Diesel. El equipo es totalmente autónomo. (3) El compresor es una máquina de muy bajo rendimiento. Para compresores de línea tenemos que pensar en un 30 a un 50% (Relación entre el desplazamiento y el caudal real).
50
•CAPITULO 111 3) DISTRIBUCION DEL AIRE OBJETIVO DIDACTICO: A) Que el lector conozca las formas de distribuir la energía de presión neumática. 8) Que conozca los elementos para el cálculo simple de una instalación para aire comprimido.
3.1) INTRODUCCION La idea de distribuir el aire comprimido es algo que surgió hace ya bastante tiempo. Una de las distribuciones más espectaculares que se hicieron fue la que se llevó a cabo en París, allá por el año 1885. Ya en ese entonces hubo que enfrentar el problema que significaba hacer llegar el aire comprimido a cada boca de consumo. El asunto reviste bastante importancia pues con él están relacionados los siguientes temas: tipo de red, material de la tubería, tipos de unión, dimensiones, pérdidas de carga, accesorios, formas de montaje, etc. Nos proponemos aquí dar una idea de solución para cada uno de estos detalles.
3.2) REDES CARACTERISTICAS. Reconocemos como red de distribución de aire comprimido al sistema de tubos que permite transportar la energía de presión neumática hasta el punto de utilización. Sobre esta definición cabe realizar una serie de aclaraciones o clasificaciones, pues desde el punto de vista del ambiente podemos dividir la instalación en: externa o interna. La externa es la instalada a la intemperie y la interna la que corre bajo cubierta. Desde el punto de vista de la posición, esta puede ser aérea o subterránea(1l y desde la óptica de la importancia de distribución puede ser primaria o secundaría. Aquí nos ocuparemos de la red primaria y secundaria y en principio asumiremos que la red es aérea e interna. Adelantamos que los principios que se aplican para este caso son generales y se aproximan significativamente a los que habría que usar para los otros.
A
Las redes de distribución se dividen en tres grandes grupos típicos. (aunque en la realidad pueden aparecer combinados total o parcialmente). B
El primero podemos apreciarlo en la figura 3.01 A donde, en forma simplificada, representamos una vista en planta de la tubería. Esta red se reconoce como red abierta. Vemos aquí que el aire avanza a la vez que va abasteciendo a los consumos. Este tipo de red requiere poca inversión inicial pero está expuesta a una severa pérdida de carga (medida entre el principio y el final de la tubería).
,'-
=::GURA 3.01 - (A, 8 y C) REDES TIPICAS
Cualquier actividad de mantenimiento o modificación parcial (colocación de otra bajada de aire comprimido o el desplazamiento de una existente) obliga a detener el suministro. De hecho esto implica detener la producción, etc., etc.
:E DISTRIBUCION DE AIRE COMPRIMIDO.
.--
..
51
El segundo grupo típico lo constituye la red cerrada o anular. Un esquema de este tipo de red lo tenemos esbozado en la figura 3.01 B. Se destaca la construcción en lazo o circuito cerrado. Inmediatamente advertimos aquí que un consumidor estaría abastecido desde cualquiera de las dos direcciones posibles. En realidad no es descabellado esperar esto pues no sabemos con certeza como habrá de circular el aire. Este razonamiento nos lleva a pensar que la pérdida de carga, en esta construcción, es menor que en la anterior. Por otra parte, la inversión inicial es mayor ,aunque esta se ve retribuida pues la elasticidad operativa es superior. Las operaciones de mantenimiento son aquí más elásticas pero aún incómodas. De todas formas siempre es recomendable este tipo de red a la anterior. Recién con la red interconectada, representada en la figura 3.01 C tendremos solucionados todos los problemas. Aquí las pérdidas de carga se han reducido a un mínimo y dada la geometría de la red, podemos aislar con facilidad los tramos objeto de modificación o mantenimiento. (2l Cabría recordar que las figuras 3.01 nos están mostrando un esquema de la red visto en planta. Si imagináramos una vista lateral, de una parte de la instalación, podríamos ver algo semejante a lo que se muestra en la figura 3.02, donde ahora más que los equipos en si mismos, nos interesa la forma en que vamos a relacionarlos con la tubería de aire comprimido. Después de los tratamientos de rigor, que aclararemos más adelante, el aire evoluciona por la tubería de distribución.
----====t
2%
PRESION DE TRABAJO CONSTANTE
PRESION DE TRABAJO VARIABLE
FIG 3.02 - VISTA LATERAL DE UNA INSTALACION DE AIRE COMPRIMIDO Esta presenta una leve caída hacia la parte posterior de alrededor de un 2%( 0,5%). El motivo de esta caída es permitir el escurrimiento del agua, que eventualmente podría haberse condensado, hacia un lugar de evacuación.
52
,-.,
:::::
Como la continua pendiente haría descender el tubo de distribución, más allá de lo aceptable si la p!ama so larga, se acude a la solución que se muestra en la misma figura 3.02.
~ _.
La solución consiste en retomar la altura de distribución y continuar con la pendiente a partir de este nuevo pG r.::. El punto más bajo debe ser siempre utilizado para instalar un conducto de purga y nunca para realizar una "bajada". El motivo es obvio; queremos aire comprimido y no agua a presión. Idéntico motivo nos mueve a conectar las "bajadas" desde el lomo o parte superior del tubo. La bajada pertenece a lo que hemos llamado instalación secundaria y puede ocurrir que, si el ambiente estuviera a una temperatura más o menos baja, ocurra alguna condensación. Es conveniente entonces permitir que el aire desemboque directamente en un recipiente con purga y la derivación a la máquina se realice directamente a 90º como indica la figura 3.02. Este es el lugar donde debemos instalar los filtros y dependiendo de la calidad del aire (o del acondicionamiento que se necesite) habrá que instalar distintos tipos de filtros. En los siguientes capítulos veremos conceptos relacionados con la calidad de aire. Una vez resuelta la filtración, casi generalmente viene el problema de control del nivel de energía o sea la regulación de presión. Aquí es dónde pueden diferenciarse claramente dos campos para la presión: uno de ellos es el de la "presión de régimen" y el otro es de la "presión de trabajo". "La presión de régimen" es variable, pues responde a las fluctuaciones del compresor, mientras que la presión de trabajo es constante! 3l y ajustada a las necesidades operativas. Se requiere que las herramientas y actuadores tengan siempre el mismo nivel de energía para asegurar un estándar de trabajo. El esquema visto hasta ahora, toma cuerpo cuando se piensa en una red de distribución interconectada. Las pendientes deben estudiarse para que respondan al criterio que las originó.!4l Es deseable que el sentido de circulación del flujo de aire, acompañe la pendiente en su caída. Sin embargo, esto no es siempre posible pues no se conoce con precisión el sentido de flujo en algunos ramales, debido a que los consumidores no son constantes( en su mayoría) y además trabajan en distintas frecuencias. Un esquema representativo nos ilustra una instalación de este tipo (figura 3.03). Uno de los aspectos, que suele ser objeto de discusiones continuas, es el del material con que deben realizarse estas instalaciones. De hecho debemos dividir este aspecto en dos partes: material de la red primaria y material de la red secundaria. Consideremos la primera: si la red es aérea es conveniente realizarla de tubo de hierro negro soldado. Existe ordinariamente una tendencia a instalar tubo galvanizado pues se supone que es resistente a la corrosión que provoca el agua. Esto es cierto, en tanto y en cuanto el galvanizado alcance también el interior del tubo.
FIGURA 3.03- PERSPECTIVA DE LA INSTALACION DE UNA RED INTERCONECTADA.
53 ,.;¡¡¡¡¡¡..
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De todos modos este tipo de instalación requiere la incorporación de accesorios roscados, más complicados para colocar y con posibilidad permanente de pérdida a través de la rosca. En una tubería galvanizada siampre es más difícil hacer una modificación(5l. Aconsejamos colocar el tubo a una distancia de 30 cm. o más de la pared, para facilitar el montaje y la operación de soldadura. En caso de que la red sea subterránea deberá protegerse también de la acción de corrosión del elemento que la cubra o instalarla en un túnel adecuadamente preparado. La segunda parte, es decir, la red secundaria, es a la que frecuentemente menos atención se le presta. Esta puede ser rígida, flexible, o combinada. cuando se trata de una instalación rígida es necesario tener algunas precauciones con el dimensionado. Las flexibles en cambio son más versátiles y pueden cambiarse con facilidad. Casi en general estas instalaciones aparecen combinadas. Es necesario determinar donde termina la instalación secundaria y donde comienza la distribución de utilización de la energía neumática. El límite se encuentra donde aparece el primer elemento de filtración, de allí en adelante lo consideraremos como conducciones propias del circuito. Insistimos en tomar las precauciones necesarias para la evacuación del eventual condensado aún en la red secundaria. Más adelante veremos detalles de la eliminación de condensado. En cuanto a la distribución propia del circuito, existe también tubería rígida, frecuentemente de tubo de cobre, útil para dispositivos expuestos a agresiones mecánicas o de temperatura. La tubería flexible para el circuito se ha difundido significativamente pues el desarrollo tecnológico nos permite utilizar hoy tubos resistentes a las chispas. Toda esta tubería ve favorecida su aplicación debido a la gran variedad de conexiones existentes en el mercado, algunas de las cuales facilitan significativamente su vinculación.
3.3) ALMACENAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO El aire comprimido es, quizás, la única forma de energía fácilmente almacenable. Suelen utilizarse para este propósito tanques o depósitos de muy variados tamaños.
FIGURA 3.04 TANQUE DE ALMACENAMIENTO CON SUS ELEMENTOS CARACTERISTICOS: MANOMETRO, TERMOMETRO, BOCA DE INSPECCION, VALVULA DE SEGURIDAD, ETC.
54
~
Advertimos que si nuestra demanda de aire fuera constante y consiguiéramos un compresor que nos satisfaga en forma continua esta demanda, no tendríamos necesidad de almacenar energía; a excepción, claro está, de un determinado volumen adicional al de la instalación, que proporcionaría una cantidad de aire para accionamientos de seguridad, ante la eventual parada del compresor. Como la realidad está lejos de presentarnos este cuadro, es decir, la demanda es variable y comúnmente esa variación no sigue una ley determinada, es necesario conocer a partir de ciertos datos, cual deberá ser el volumen de nuestro tanque de almacenamiento ya que este tiene como funciones específicas las siguientes: -Almacenar aire comprimido para satisfacer picos de demanda que excedan la capacidad del compresor. - Favorecer el enfriamiento del aire y la precipitación del agua de condensación. - Compensar las variaciones de presión en el consumo. - Generar una frecuencia rentable de ciclos "entrada - salida" en el compresor. Ese volumen dependerá, entonces, de: - El tipo de regulación del compresor. (Asumimos que nuestro compresor es de desplazamiento lineal.)l 5l - Del caudal del compresor. (7). -Del rango de regulación. (P=Diferencia entre la presión máxima y mínima de régimen).l 8 l - De la frecuencia pretendida de períodos de trabajo del compresor Creemos adecuado ilustrar con un ejemplo el cálculo del volumen de un tanque de almacenamiento para lo cual usaremos el ábaco de la figura 3.05. Sea, entonces, un compresor de pistón que trabaja con regulación por marcha en vacío, cuyos datos son los que s1guen: Q = Caudal del compresor = 30 m 3/min. P = fluctuación permitida de presión =1 bar (1 00 kpa). Z = Frecuencia de trabajo del compresor (es decir las veces que entra en compresión ) por hora = 20 veces/h.
+,mtl]]l \\~
En la parte A del gráfico de la figura 3.05, entramos con el valor 30 m3 /min y nos desplazamos horizontalmente hasta P = 1 ,O bar (rango de regulación).
mm
Desde este punto y verticalmente hacia abajo se encuentra sobre el eje un punto de transición que sirve a la parte B del gráfico.
!' m3
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FIGURA 3.05- ABACO PARA EL CALCULO DEL VOLUMEN DEL TANQUE DE ALMACENAJE PARA COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO Y REGULACION POR MARCHA EN VACIO
111111111 111111111 55
3.3.1) Instalación El tanque o depósito de aire puede instalarse en varias posiciones. En la mayoría de los equipos importantes, éste es instalado por separado y la posición más razonable es la vertical. Son varios los motivos que permiten sostener esta forma de instalarlo: 1) menor lugar ocupado. 2) favorece la precipitación del condensado. 3) permite su eliminación casi total. 4) con la misma estructura se consigue la altura de distribución. 5) menor área en contacto con el agua. En condiciones especiales pueden instalarse varios tanques interconectados, adaptando el volumen del depósito al de los compresores afectados a la producción en ese momento. Un comentario: La conexión del compresor con el tanque debe ser flexible para evitar transmitir a la instalación vibraciones inoportunas.
3.4) CALCULO ELEMENTAL DE UNA RED DE DISTRIBUCION. El cálculo de una red de distribución de aire comprimido consiste solamente en la determinación del diámetro único que tendrá dicha tubería, en función de ciertos datos de partida que son: la presión máxima de régimen, el caudal máximo a utilizar, la pérdida de carga que estamos dispuestos a tolerar en la instalación y la forma y dimensiones de la red. Cada uno de estos parámetros merece una consideración especial y una explicación. Comencemos por la presión: esta corresponde a la presión máxima que tenemos establecida para los compresores, frecuentemente este valor nunca excede los 1Obar en instalaciones de aire comprimido normales. El caudal es el parámetro más conflictivo de este cálculo pues surge de considerar: a) El caudal unitario de cada consumidor b) El caudal de pérdidas. e) El factor de simultaneidad de trabajo. d) El posible incremento de consumo en períodos posteriores de crecimiento. La suma de todos estos caudales nos pone en conocimiento del caudal total que debemos utilizar para el cálculo. Con respecto a las pérdidas, que en una planta normal ascienden al30% ( 10%) de la potencia instalada, debe presuponerse un esfuerzo por mejorar tal condición por lo que aconsejamos utilizar para las mismas sólo un 10% del caudal total. El factor de simultaneidad representa cuantas máquinas o consumidores habrán de trabajar al mismo tiempo y afecta al caudal total calculado sin pérdidas. Fluctúa entre 0.5 y 1 (es decir 50 al100%). Si no hay posibilidad de conocer con precisión este factor aconsejamos utilizar 1 (ó 100%). En cuanto a las modificaciones debidas al incremento del consumo, es muy importante tener en cuenta que una tubería de pequeño diámetro no puede prolongarse sin que peligre el nivel de energía disponible. Esta situación puede provocar la inutilización de toda la red de aire comprimido( 9>. En cuanto a la geometría y dimensiones de la instalación debemos considerar primero la cantidad de tubería recta que interviene y segundo la cantidad de accesorios necesarios para su realización (válvulas, curvas, tés, etc.).
56
L
A los efectos del cálculo, cada uno de los accesorios será interpretado como una determinada cantidad de tubería recta según indicaciones y equivalencias que explicaremos más adelante. Por último consideraremos la pérdida de carga (que en nuestro caso se traducirá como una disminución de la presión). La pérdida de carga o disminución de la energía útil se produce cuando el aire al circular "roza" con las paredes del tubo o cuando produce torbellinos en lugares donde la dirección cambia en forma brusca. Estos torbellinos consumen energía pero su trabajo no es aprovechable. La pérdida total de carga es un valor que se elige como condición de diseño y que usualmente está entre O, 1 y 0,2 bar Por otra parte si imagináramos un accesorio cualquiera, como por ejemplo la curva de la figura 3.06, cuando el aire pasa a través de ella pierde una parte de su energía que puede medirse y que es igual a Pe= P1c·P 2c. Plc
P2c
Pie= Plt .6. Pe= Plc-P2c .6.Pt-Plt-P2t= .6-Pc
~
P2t
ft
Pb
i
FIGURA 3.06 - ACCESORIO (CURVA) Y LONGITUD EQUIVALENTE DE TRAMO RECTO.
LONGITUD EQUIVALENTE
~-:a pérdida de carga podría producirse también por un tramo de tubo recto o sea P, = P.,-P z, = P =· Cuando las ::e---:Klas de carga son iguales se dice que la longitud del tubo es la longitud "equivalente" al accesorio :::respondiente. Cabe aclarar que la presión de alimentación debe ser la misma en ambos casos: accesorios ~ :_:;o recto. """Er()S
anticipado esta explicación pues este concepto será utilizado para efectuar el cálculo de la tubería.
3.4.1) Mecánica para el cálculo de la tubería. E :aculo se realiza a partir de los datos mencionados y se determina, con ayuda del nomograma de la figura ! ::- el diámetro de la tubería como si la instalación se tratara de un tubo recto solamente .
.a. :s::e diámetro lo llamaremos diámetro auxiliar y con él determinaremos en la figura 3.081a longitud equivalente ,¡ -:a~.a
uno de los accesorios. La suma de estas longitudes equivalentes individuales, se deberá agregar a la
CJ'"'9:_.-j inicial y con este nuevo dato calcularemos el diámetro definitivo en la misma forma en que calculamos e ::ia...-.etro auxiliar 10l. E ::ia.....-,etro definitivo debe, a posteriori, ajustarse a la medida estándar inmediata superior.
57
3.4.2) Marcha de cálculo ~ Ejemplo. Nada mejor que desarrollar un ejemplo para que tengamos un modelo de lo que pretendemos decir: Supongamos entonces tener la necesidad de calcular una instalación cuyos datos después de ajustarlos convenientemente son los siguientes: Longitud Caudal Presión máxima Caída de presión
: L = 600 metros
: a = 3000 m /hora 3
: P = 10 bar : P=0,15bar
y además del estudio de la forma de la red, necesitamos considerar los siguientes accesorios: 4 Válvulas esféricas 1 Válvula globo 1O Conexiones te 15 Curvas de 90º De acuerdo con la marcha de cálculo lo primero que hacemos es hallar el diámetro auxiliar. Para ello ubicamos los datos sobre el nomograma de la figura 3.07 haciendo caso omiso de los accesorios. Ubicados los puntos 600 m. sobre el eje L y 3000 m3/hora sobre el eje Q, trazamos una recta que los una y la prolongamos hasta interceptar al eje E1. Idéntico procedimiento hacemos con los puntos correspondientes a la presión P y a la pérdida admitida P. Esta última recta intercepta al eje E2 al unir P con P. A continuación, simplemente, se unen los puntos generados sobre E1 y E2. La recta así definida, indica sobre el eje D, el valor del diámetro auxiliar. En nuestro caso el valor es aproximadamente Daux = 130 mm. Recién con este valor, podemos encarar la segunda parte del cálculo que consiste en encontrar la longitud equivalente de los accesorios. Para esto nos ayudamos con el gráfico de la figura 3.08; encontramos entonces;
130 130 130 130
ACCESORIO
LONG EQUIV METROS
CANT
LONG. EQUIV. TOTAL METROS
VALVULA ESFERICA VALVULA GLOBO CONEXIONTE CURVA DE 90 o
2.2 52 14 1.8
4 2 10 5
10 10 140 27
LONGITUD TOTAL A AGREGAR
230
Esta longitud la sumamos ahora a la original y repetimos el trazado. Debemos considerar que el único parámetro que se ha modificado es la longitud. Ubicamos entonces : L' = L + Long. equivalente = 600 m. + 230 m. = 830 m.
58
1
~~
..
en la figura 3.07 y efectuamos el trazado como si h::ra la primera vez( En la figura hemos tr2;&c'::. er· !& psí'¡e que r.o se repite, las líneas con trazos para que puedan identificarse). Esta vez leemos, sobre la escala D, en el punto generado por la nueva línea E1 - E2, el diámetro definitivo: D = 148 mm. Adoptamos por lo tanto un tubo de 150 mm. (6") de diámetro. De esta manera queda concluído nuestro cálculo. Como comentario adicional podemos decir que este procedimiento puede utilizarse también para dimensionar las tuberías de la red secundaria. Al menos esto sería lo más razonable. Es claro que debe conocerse el caudal de ese ramal.
L m 10
Q
1
20 ..
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2001
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1
1
1
1
P.Max. (bar)
1
1
1
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1
1
1
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300)
~
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1
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1
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1
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1
40 30 25
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1
L
Q
El
D
P. Max.
E2
~p
FIGURA 3.07- NOMOGRAMA PARA EL CALCULO DE TUBERIAS DE AIRE COMPRIMIDO.
59
LONGITUD EQUIVALENTE
m
1
70
1112 2
3
4
60
8
DIAMETRO
7
50 40
/
1 ~
35 30 25 20
j
~
IJ
11
15
11 J
I.Ji¡
10
1
5
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V
1
ll
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1
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11 I.J
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VALVULA DE GLOBO
r7 7 ) 'j 1
VALVULA 90°
7) ~
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CONEXION TEE
r
CODO 90°
)
1~
1 1~v
11
1
V
DIAFRAGMA DE VALVULA
11 VALVULA DE ESFERA CUDU LARGO 90°
~v ~
11
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20
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200
300
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FIGURA 3.08- GRAFICO PARA EL CALCULO DE LA LONGITUD EQUIVALENTE.
60
LLAMADAS AL CAPITULO 111. {1} Existen instalaciones en recintos bajo nivel que siguen todas las pautas de las instalaciones aéreas. (2) Tanto como para que el lector pueda hacer un ejercicio de proyección, diremos que en este tipo de red podrían aplicarse las leyes de KIRCHOFF para circuitos eléctricos, con la sola condición de que los consumos sean continuos y conocidos. {3) La "constancia" a que nos referimos debe entenderse como una pequeña franja diferencial de presión dentro de la cual ocurren variaciones relacionadas con las variaciones de caudal y presión y de las variaciones en la elasticidad de los resortes y elementos elásticos que intervienen en el proceso. {4) Podría pensarse en una instalación sin pendientes siempre y cuando antes de encarar la distribución el aire sea tratado hasta el punto de asegurar que no puede haber condensación en su camino. De todos modos la práctica aconseja respetar igualmente las indicaciones que se dan para la instalación normal a fin de prevenir cualquier desperfecto que pudiera ocurrir con los equipos de tratamiento. {5) Casi frecuentemente, la oficina de métodos establece nuevos "plant layout " que conllevan modificaciones de la distribución de los fluidos, entre ellos, el aire comprimido. En una empresa activa es posible encontrarse con cambios en forma frecuente y por tal motivo debemos estar preparados para que estos cambios no compliquen nuestro accionar. {6) El volumen del tanque de almacenaje varía con el tipo de regulación pues está directamente relacionado con el tiempo de carga, la frecuencia de conmutación permitida y los mecanismos relacionados con la regulación. Se distinguen dos formas de regulación que generan dos diferentes cálculos del volumen del tanque: * Regulación intermitente * Regulación por marcha en vacío
Se aprecia que no hemos abierto juicio alguno sobre la regulación por carga parcial. Esto se debe a que el suministro del compresor se adapta permanentemente al consumo, por lo tanto carece de sentido hablar de almacenar energía en este caso. Habría todavía un uso más del tanque de almacenamiento relacionado con el uso por un corto lapso. Quienes deseen profundizar este tema pueden consultar "Manual de la técnica del aire comprimido" F.M.A. Pokomy- Editorial BLUME. Capítulo 14. (7) Debe recordarse que siempre el caudal del compresor está en función del caudal real medio interpretado a través de un coeficiente de simultaneidad. (8) Cuando se trate de una planta de varios compresores se calcula el volumen del tanque considerando sólo el compresor más potente {que es el que servirá de base). El P a considerar será el de esta última máquina. (9) En estos casos puede recurrirse a la instalación de otra tubería paralela antes que al cambio de la que resulta pequeña. (10) En el caso en que la longitud equivalente sea mayor que el 50% de la longitud de la tubería recta, aconsejamos reiterar el procedimiento (es decir hacer una iteración) usando el "diámetro definitivo" como si se n.tara de un nuevo "diámetro auxiliar". La longitud a incorporar será la nueva longitud equivalente.
61
.._ CAPITULO IV 4) DESHIDRATACION DEL A.C. OBJETIVO DIDACTICO: Que el lector conozca y comprenda las técnicas que se utilizan para deshidratar el aire comprimido
4.1) INTRODUCCION Una vez que el aire ha superado al compresor, comienza la etapa de acondicionamiento industrial, entendiendo por esto, los procesos a que debe ser sometido para que pueda ser utilizado sin ningún riesgo mecánico ni químico. Es decir, queremos asegurarnos que el aire comprimido nos va a dar la prestación deseada y que no habrá de contaminar ni constituirse en el vehículo de ningún agente de corrosión. Como hemos de suponer, el aire evoluciona a través de distintos aparatos y elementos que lo conducen y acondicionan. Estos son los siguientes: post-enfriador, drenadores, tanque de almacenamiento, filtros de línea, secadores, fittros para partículas sólidas, para agua, para aceite y para olores, regulación y tubería de distribución.
La figura que transcribimos a continuación (figura 4.01) nos da una idea de la posición relativa de cada elemento.
FIGURA 4.01- ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UNA INSTALACION NEUMATICA PARA AUTOMATIZACION. Cada uno de ellos tiene una función específica. Nos ocuparemos aquí de los que de una u otra forma son capaces
de retirar agua del sistema. Ccrnenzaremos a estudiar los destinados a eliminar el agua ya en estado líquido.
4.2) Purgas o drenadores ~endemos por purga o drenador cualquier dispositivo que permita retirar de la instalación el agua líquida p-oveniente del condensado.
Las posibilidades de clasificación nos conducen a reconocer dos grandes grupos, las purgas manuales y las a.;tomáticas.
4.2.1) Purgas manuales Es::as se hacen efectivas con la simple colocación de una válvula de cierre (válvula esférica, globo o de diafragma) S7 tan elementales como efectivas, siempre que se las atienda con prolijidad y disciplina.
63
Es conveniente. con ej propósito de prolongar los lapsos de apertura, colocar antes de la válvula un pequeño tanque de almacenamiento del condensado. Es obvio que de no tomar dicha precaución, al no purgar frecuentemente, el agua se acumularía en la tubería de bajada provocando una situación de riesgo ante la posible circulación hacia otros puntos.
La instalación de las purgas debe hacerse en las zonas más bajas de la tubería hacia donde se prevé que ocurrirá la acumulación de agua.
4.2.2 Purgas automáticas Reconocemos por purgas automáticas aquellas que permitan la evacuación del condensado en forma totalmente independiente. La clasificación de purgas se realiza según el parámetro que se toma como variable, así tenemos:
(l)
- Purgas por flotación. -Purgas por presión diferencial. - Purgas motorizadas. Las purgas por flotación son accionadas según el nivel de líquido colectado.
FIGURA 4.02 - ESQUEMA DE UNA PURGA AUTOMATICA POR FLOTACION
La figura 4.02 permite ver en forma gráfica el funcionamiento de una purga automática por flotación.
Cuando la cantidad de líquido es tal que levanta el flotador, el aire, circula pasando por un filtro, hacia un pistón que abre la válvula. Este pistón tiene una pequeña fuga a la atmósfera, es así que cuando se interrumpe el suministro de aire debido a que bajó el líquido, el pistón cierra la salida pues regresa por efecto del resorte que ya no es resistido por la otra parte del pistón que perdió la presión, y por lo tanto la fuerza. La instalación de estas purgas debe ser vertical y en lugares no muy expuestos a la vibración. Las purgas por presión diferencial permiten eliminar condensado frente a una variación de la presión provocada por la acumulación de líquido. No son, en general, para grandes cantidades de condensado. Finalmente la purga motorizada, no muy conocida, pero si muy útil, consiste en una válvula accionada por un motor eléctrico. Este constantemente y a intervalos regulares abre por escasos segundos la purga. Existen modelos con distintos tiempos de apertura.
64
._ Esta purga es la más aconsejable cuando existe un caudal de condensado muy significativo como por ejemplo en el tanque de almacenamiento.
4.3) TRATAMIENTO DEL AIRE COMPRIMIDO Cuando el agua se encuentra en forma de vapor debemos previamente llevarla al estado líquido, continuemos pues, nuestro estudio de la deshidratación del aire viendo inicialmente cuales son las herramientas de que disponemos para lograrlo, como funcionan y cuales son los criterios de mantenimiento. Si analizamos otra vez la figura 4.01, con la que iniciamos este capítulo, vamos a reconocer algunas de ellas. Estas herramientas ( o equipos) pueden dividirse según su ubicación en:
aire-aire * Post-enfriadores:
aire-agua separadores centrífugos. * Filtros de línea:
filtros mecánicos. B) Tratamiento en las redes. de distribución. por refrigeración. *Secadores:
por adsorción. por absorción. Por alimentación centralizada.
4.4) TRATAMIENTO A LA SALIDA DEL COMPRESOR 4.4.1) Post - enfriadores Cuando compresor aspira aire, se inicia un proceso de compresión que siempre viene acompañado por
...r aumento de la temperatura y por ciertas modificaciones en la humedad relativa, densidad, etc. Si observamos el gráfico doble (figura 1.1 Odel capítulo 1) podemos ver en él, la evolución que sufre el aire er la compresión. Un hipotético estado final nos llevaría a una presión de 7 bar (700 kpa) y a 60ºC, a::<"Dximadamente. El enfriamiento al que hacíamos alusión entonces, debe producirse con elementos es:«ialmente preparados para ello. El ambiente que hemos elegido para este ejemplo, tiene una temperatura de 30ºC. Si nuestra intención
es bajar la temperatura del aire a 25ºC (menor que la del ambiente) y estamos a 60ºC, podríamos tratar nuestro ~ema en dos etapas: la primera utilizando el propio ambiente como la fuente fría y la segunda utilizando una \..eMe fría artificialmente preparada.
Estas dos etapas son, en general, bastante lógicas pues la primera surge de un concepto económico t::esco: aprovechar racionalmente lo que tenemos' 3l y la segunda simplemente para completar lo que la primera m: -a podido cumplir.
65
4.4.1.1) Post enfriador aire.. aire Este post-enfriador es el de empleo más expeditivo pues su instalación es muy sencilla y por lo tanto rápida. Consiste esencialmente en un radiador por donde se hace circular el aire comprimido, que recibe una circulación forzada de aire ambiente. El aire comprimido se enfría paulatinamente entregando el condensado correspondiente y luego es entregado nuevamente al sistema. La figura 4.03 nos permite observar la construcción de un post-enfriador aire-aire.
FIGURA 4.03 ESQUEMA DE UN POST-ENFRIADOR AIRE-AIRE
Sus limitaciones están relacionadas con la máxima presión de trabajo, la temperatura máxima de operación, la temperatura del ambiente y la capacidad de circulación que permite, pues cualquier variación de estos parámetros debe- ría ser tal que a la salida la temperatura del aire comprimido sea menor que 40ºC. En muchos casos este aparato puede complementarse con purgas automáticas que eliminan el condensado que producen. Precauciones generales a tomar para su instalación: Colocar el post-enfriador sobre un tramo horizontal de la tubería. No debe instalarse, pegado a la pared. Colocar en un lugar limpio y ventilado. Drenar periódicamente. (4 l
4.4.1.2) Post-enfriador aire-agua En el punto anterior nos hemos referido a la temperatura ambiente como fuente fría. El agua de abastecimiento corriente está asociada , en parte, al ambiente y por lo tanto se ha usado también como fuente fría. El post-enfriador aire-agua es más efectivo que el post-enfriador aire-aire y ocupa menos volumen, pero como contrapartida tenernos que es necesario atender la disminución de la temperatura del agua de circulación. Este enfriamiento se lleva a cabo en ''torres de enfriamiento". A veces es necesario una torre de enfriamiento específica para el post-enfriador, y a veces, dependiendo de la carga, puede compartir la torre principal, frecuentemente erigida para el agua de refrigeración de los compresores. Aparte de esto deben considerarse las instalaciones adicionales no mencionadas: tuberías, bombas, etc. La figura 4.04 muestra un esquema del post-enfriador
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o FIGURA 4.04 - POST-ENFRIADOR AIRE-AGUA.
Aquí podemos apreciar la evolución del agua de refrigeración, intercambiando calor con el aire comprimido que circula por el aparato. La zona de contacto entre ambos fluidos está considerablemente extendida debido al tubo aletada con que se construyen. En este caso una parte del contacto entre fluidos es en contra-corriente y otra a favor posibilitando la conexión del aparato en forma simple. La elección del post-enfriador debe hacerse cuidadosamente. Los parámetros a tener en cuenta son: caudal, temperatura del aire de entrada, caída de presión admisible (a la presión de trabajo). La temperatura del aire de salida debe ser tal que asegure el correcto funcionamiento del secador (en caso de existir).!5l Las precauciones para la instalación del post-enfriador son muy pocas: debemos colocarlo en posición horizontal, usar agua filtrada para evitar obturaciones y mantener el agua en circulación durante la operación. Drenar periódicamente.
4.4.1.3) Filtros de línea
:)e
Aunque con cierto adelanto, y para insertarlo en el lugar adecuado, analizaremos aquí estos elementos características algo especiales.
Estos filtros, que deben instalarse antes de cualquier consumo, tienen como función retirar del aire comprimido el mayor porcentaje posible de agua líquida, aceite y partículas sólidas (incluso las que el propio ::::mpresor haya introducido) y así como también las emulsiones que suelen producirse al coexistir agua con iCeite. Existen distintos tipos de filtros que desempeñan esta función: *Los de acción mecánica (elementos filtrantes) *Los inerciales (de acción ciclónica) * Los combinados.
4.4.1.3.1) Filtros de acción mecánica Este tipo de filtros presenta elementos filtrantes que por acción mecánica pueden retener gotas y partículas
s:Hoas. Las gotas provenientes del condensado se forman en la superficie de los elementos obedeciendo a un :P'II"ot>io de tensión superficial. La gota formada cae por gravedad hacia la zona de recolección. Es conveniente ~~Sa~a.reste filtro después del tanque de almacenamiento y si la red de distribución es grande, uno porcada ramal . . u azón es simple: cuanto más alejado, más oportunidad habrá tenido el aire de intercambiar calor con el medio 1aiLJEf 1te y por lo tanto cabe esperar más cantidad de condensado. En definitiva, el filtro retiraría más cantidad JQ.A
67
Estos filtros deben inspeccionarse periódicamente y s: bien los intervalos de atención no son muy frecuentes (cuando el filtro está bien dimensionado} debe preverse el recambio de los elementos filtrantes para evitar la saturación de los mismos. El tamaño de partículas que puede retener este tipo de filtro esta comprendido entre los 20 y 1O micrones con una eficiencia de 45-55%. La elección de estos filtros debe hacerse en función de la presión máxima de régimen, del caudal máximo que podría circular y de la caída de presión que se adopte.
4.4.1.3.2) Filtro inercial Si bien este tipo de filtro también responde a una acción mecánica, esta es dinámica y se distingue claramente de la anterior. En un filtro inercial o ciclónico, la acción más destacada es el cambio de dirección. Este cambio imprime a las partículas pesadas una acción centrífuga, que debida- mente aprovechada, permite controlarlas y retirarlas del torrente de aire. La eficiencia de separación de estos filtros depende de varios factores, entre otros: la intensidad del cambio de dirección, la densidad de la partícula que está evolucionando, la temperatura del aire, el tiempo que se pueda mantener el cambio de dirección, etc. Estos filtros son económicos y si bien no son tan eficaces como los anteriores, casi no necesitan mantenimiento. Las precauciones para su instalación son similares a las anteriores.
4.4.1.3.3) Filtros combinados Una forma razonable de mejorar las situaciones es tomar lo bueno de cada una y hacerlas compatibles. Esto es exactamente lo que se ha hecho con los filtros de línea combinados. Naturalmente estos filtros son más modemos y reúnen las cualidades positivas de los anteriores . El hecho de dar al aire un tratamiento inercial previo a la acción mecánica permite usar elementos filtrantes más delicados y conseguir así una mayor eficiencia. La figura 4.05 nos muestra un filtro combinado en el que el aire, al entrar, cambia de dirección para ingresar después al elemento filtrante (desde el interior al exterior) consiguiendo retenciones de hasta 3 micrones con una eficiencia similar a los anteriores.
FIGURA 4.05 - FILTRO DE LINEA.
68
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uM44#k!J!U UJ# t@tijilll.~''' ~,, . .
Las recomendaciones para su instalación son las mismas que en los casos anteriores. El elemento filtrante deberá cambiarse cuando esté saturado, condición que se controla con un manómetro diferencial (o con dos manómetros comunes). La caída de presión nunca debe superar 1 bar. El tiempo de recambio depende de la calidad del aire que se procese, aunque podríamos decir que en general el período fluctúa entre 12 a 24 meses. Lo importante en este caso es atender diariamente el purgado y no generar ningún consumo de aire que no haya pasado por el filtro de línea.
4.5) TRATAMIENTO EN LAS REDES El tratamiento en las redes es más específico y depende de la calidad de aire pretendida. Esta aseveración nos da un mensaje en forma indirecta: todo lo anterior es obligatorio en el tratamiento del aire. Efectivamente, no puede concebirse una instalación moderna que no posea lo anteriormente descrito. Es muy importante entender esto, porque de lo contrario cualquier tratamiento que hagamos a partir de allí no tendrá sentido.
4.5.1) SECADORES Los secadores son equipos cuya misión es retirar la mayor parte posible del agua que no fue retirada por los equipos "aguas arriba". Este proceso se conoce como "secado del aire", de allí el nombre de secadores. Su aplicación depende fundamentalmente de las necesidades que tengamos del aire. En muchos casos es absolutamente necesario utilizar aire seco para no dañar los equipos o los productos asociados al proceso en cuestión. Es lógico suponer que existen distintos tipos de secadores que consiguen también distintos grados de secado.(s) Revisaremos a continuación las construcciones más comunes de los distintos tipos:
4.5.1.1) SECADORES POR REFRIGERACION Estos secadores aprovechan las variaciones termodinámicas del aire húmedo cuando se lo enfría a presión constante. Efectivamente, en las curvas de la figura 1.1 O(lado aire saturado), con un enfriamiento a presión constante se puede seguir bajando por la curva de presión, movimiento que refleja la disminución de temperatura. Simultáneamente en ordenadas vemos que la humedad absoluta cae. Esto es exactamente lo que buscamos pues significa llevar agua al estado líquido para poder retirarla del sistema de aire comprimido. En la figura 4.06 vemos el esquema de un secador por refrigeración. El funcionamiento del equipo se reduce al funcionamiento de una máquina frigorífica. El ciclo se desarrolla así: el gas refrigerante es aspirado por el compresor y comprimido, sale con dirección al condensador, Intercambiando calor con el gas entrante mientras el gas ya comprimido se enfría reduciendo la carga térmica en el condensador7l.
69
1
Allí el gas se licúa y pasa al evaporador a través de un tubo capilar (o a través de una válvula de expansión). Es en este punto del circuito donde el refrigerante líquido se evaporada utilizando el calor del medio, es decir, del aire comprimido; aquí es donde el equipo intercambia calor con el aire llevando a cabo el enfriamiento del mismo. Evaporado el gas, pasa nuevamente al compresor y el ciclo se repite.
FIGURA 4.06 - ESQUEMA DE UN SECADOR POR REFRIGERACION
• En la realidad, el ciclo frigorífico que se realiza puede mostrar algunas diferencias debidas al control, pero en términos generales lo dicho alcanza para comprender su funcionamiento. Como características operativas, podemos mencionar: servicio de mantenimiento simple y capacidad de mantener un punto de rocío constante. Esta última es la que ha difundido su uso en las instalaciones industriales, donde si bien hay exigencias en cuanto a la calidad del aire, el mantenimiento no es demasiado riguroso. La elección del equipo depende de varios parámetros , que hemos querido enumerar para que el lector , tenga una referencia concreta. Son los siguientes:
1) Temperatura de entrada del aire. 2) Presión de régimen. 3) Temperatura del ambiente. 4) Caudal a procesar. 5) Voltaje y frecuencia de la fuente de alimentación. A partir de estos datos podemos dar con el equipo correcto. Es necesario para ello seguir con prolijidad las indicaciones del fabricante y utilizar datos relativos a la condición real más desfavorable. Pensemos que si la temperatura del aire de entrada supera la establecida, el equipo de refrigeración puede alcanzar su límite de capacidad y no cumplir su ciclo frigorífico correctamente.
70
Como dato adicional digamos que un secador por refrigeración consigue un punto de rocío bajo presión de 10ºC lo que equivale a -17ºC de punto de rocío a presión atmosférica
4.5.1.1.1) CALCULO PARA LAJUSTIFICACION DE UN SECADOR POR REFRIGERACION. Un ejemplo cercano a la realidad puede resultar muy útil para comprender la necesidad de tratar el aire con secadores. Supongamos que una planta industrial se maneja con los siguientes valores promedio:
=
1000m3 1 h.
= Tiempo de trabajo
=
16 horas por día.
=
=
70%.
= Temperatura ambiente =
20ºC.
Q
=
T
Caudal aspirado.
Humedad relativa
Nos proponemos calcular, que cantidad de agua hemos incorporado en una semana (5 días) a nuestra instalación. Lo haremos en tres pasos: A) Cálculo del volumen total de aire aspirado.
m3
hs. 1000-. 16-. 5 días= 80.000 m3 h. día
8) Cálculo del agua contenida en un m3 (para condiciones atmosféricas) Del gráfico de saturación del aire (fig. 1.1 O) ; para una temperatura de 20ºC y 70% de humedad relativa leemos: humedad absoluta= 12 g./m3 C) Cálculo del total de agua contenida Total de agua= Vol. total {m 3). Hum. absol. (g./m3)
= 80.000 m3 • 12 g./m3 = 960.000 gramos =960 kgs. =960 litros.
5 tambores de 200 litros c/u.!! Cabe señalar que gran parte de ese agua ha caído como condensado en el post-enfriador (entre el 50 y 70% aproximadamente). El secador continúa con esa labor retirando un porcentaje significativo también, pero que sumado al anterior no alcanza a completar el 100%. Queda un remanente de agua que está entre el 5 y el 1 O% de lo que entró. El resultado anterior nos da una idea de porque sale tanta agua de la tubería de aire comprimido cuando se purga, sobre todo si no existen instalaciones de secado (post-enfriador y secador o secadores).
71
4.5.1.1.2) INSTALACION Y PRECAUCIONES DEL SECADOR POR REFRIGERACION Es deseable que el equipo se instale sobre una base hecha en un lugar donde la concentración de partículas sea mínima, haya buena circulación de aire y no esté sometido a la vibración. Si fuera necesario instalar la unidad a la intemperie, debemos verificar que este protegida contra el sol y el agua. Es conveniente prever lugar para el mantenimiento guardando debida distancia con los equipos cercanos. Es bastante práctico, también, instalar un "by-pass". No debemos instalar un secador sin antes instalar un postenfriador .<8> Es ideal mantener limpio el condensador, debido a que circula aire ambiente, suele acumularse polvo que provoca taponamiento y disminuye la conducción de calor. En la tubería de drenaje debemos buscar siempre el nivel de desagüe. Nunca se deben instalar curvas hacia arriba pues pueden provocar acumulación de condensado.
4.5.1.2) SECADORES DE AIRE POR ADSORCION El secado por adsorción es un proceso físico relacionado con el fenómeno llamado "tensión superficial", esto es la capacidad que tienen ciertos materiales de adherirse naturalmente entre sí. Los materiales más usados son el GEL DE SILICE ANHIDRO y la ALU MINA, el primero es poseedor de canalizaciones o porosidades de muy pequeño diámetro. Cuando el aire húmedo circula a través de estos materiales, las minúsculas gotitas de agua se le adhieren retirándose del aire. En la mayoría de los casos estos secadores presentan el aspecto mostrado en el esquema de la figura 4.07. Debido a que después de un tiempo de funcionamiento el material desecante se satura, o sea pierde su capacidad para capturar agua, su diseño siempre contempla dos recipientes o torres. Cuando uno de los recipientes se satura, el aire húmedo se orienta hacia el otro permitiendo la continuidad del proceso. Simultánea y paralelamente el aire seco producido se hace circular en forma restringida por el recipiente saturado produciendo el secado del gel. La figura N2 4.07 nos muestra un esquema simplificado de un secador por adsorción con recuperación del material desecante por recirculación controlada de aire seco.
FIGURA 4.07 ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UN SECADOR POR ADSORCION.
72
1
~,.
~
Allí apreciamos como mientras una de las torres está en operación, la otra está en recuperación. Esta. se opera gracias a la recirculación de aire seco en forma controlada a través del lecho del desecante saturado. La característica principal de estos equipos es que su capacidad para retirar agua supera los -30ºC de punto de rocío a presión atmosférica. El consumo de aire seco para recuperación del desecante es de un 6 a un 14% del aire seco generado, dependiendo de la presión de trabajo. La duración de los ciclos de recuperación se controlan con un temporizador y en general oscilan entre 2
y 1O minutos. Existen sin embargo, secadores por adsorción que recuperan el material desecante calentándolo a la vez que hacen circular aire a través de la torre saturada. Aquí los ciclos pueden variar en lapsos que pueden alcanzar tiempos mayores. Esta instalación es más compleja y el costo operativo un tanto mayor, motivo por el cual los secadores "sin calor" se han difundido más rápidamente. Como siempre, es necesario tomar ciertas precauciones con la instalación y el uso de estos secadores. Como el material desecante retira el agua por adsorción, en la medida que este se contamine con el aceite que contiene el aire de circulación, va perdiendo su capacidad de retención y disminuye su rendimiento. Es aconsejable, para evitar esta situación, instalar en la entrada del secador un filtro que sea capaz de protegerlo, es decir, de retirar el aceite en cualquier forma en que este se presente. También es aconsejable instalar un filtro en la salida con el objeto de retener el polvo producido por el desecante (La eficiencia debería ser del 99,9999% para 5 micrones).
4.5.1.3) SECADORES POR ABSORCION
o
Este tipo de secadores utiliza para lograr su propósito un material delicuescente capaz de reaccionar químicamente con el agua. Al capturarla del aire, este material se va gastando y escurriendo de su contenedor al licuarse. Esta situación conduce a que el material higroscópico debe reponerse periódicamente con el consiguiente inconveniente que ello significa. En la figura 4.08, podemos apreciar su funcionamiento: el aire húmedo pasa, simplemente, a través del material delicuescente. Este captura químicamente las moléculas de agua, hecho que provoca su licuefacción. El componente ya líquido cae hacia el fondo del recipiente donde se elimina.
FIGURA 4.08- ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UN SECADOR POR ABSORCION.
~o 73
La capacidad de retención de agua de estos equipos de ningún modo supera la de los ya vistos, por esta razón en las instalaciones modernas no se lo utiliza. El alto grado de mantenimiento necesario y el riesgo que representa arrastrar hacia la tubería de distribución partículas del compuesto (que serían más dañinas que el agua), hacen que prácticamente se haya desterrado el uso de este tipo de secador. Otro inconveniente aparentemente poco importante, es que el condensado debe eliminarse en forma manual o con purgas automáticas no convencionales, pues el mecanismo de los mismos vería comprometido su funcionamiento. (1)- En muchos casos se suelen colocar para esta función trampas termodinámicas. Según nuestra experiencia no es recomendable su utilización pues si bien abren por la salida del condensado su frecuencia elevada de aperturas provoca una significativa pérdida de aire. (2) - Podría hablarse de un tratamiento durante la compresión que es el que realizan los enfriadores interetapa para mejorar el rendimiento volumétrico. Este campo pertenece más al diseño del compresor que al tratamiento del aire. (3) - La cantidad de agua que es eliminada en estas condiciones puede calcularse con bastante aproximación utilizando el gráfico doble. Si el lector practica estos cálculos verá que el porcentaje de agua que se precipita es cercano al 50% de lo que ingresa. (4)- Dependiendo de las necesidades, también puede instalarse un secador (después del post-enfriador y del tanque), que procese todo el aire que se consuma. En muchos casos esto no es necesario pues no todos los puntos de consumo necesitan la misma calidad de aire. (5) - Los post-enfriadores pueden clasificarse por su eficacia. Esta se calcula por la fórmula: Tsai
=Temperatura de salida del aire comprimido.
t = Tsai- Teag donde Teag =Temperatura de entrada del agua.
Un buen rendimiento testará comprendido entre 5 y 1O ºC. (6) - Los grados de secado pueden conocerse a través del punto de rocío o punto de rocío bajo presión. (7) -En la mayoría de los equipos el condensador está refrigerado por aire, sin embargo algunos equipos están refrigerados por agua. Esta modalidad se utiliza para cargas muy grandes. (8) - Son muy pocos los casos en que en verdad no se necesitaría instalar un post-enfriador. Solo podría prescindir- se de él si la temperatura de salida del compresor fuera inferior o igual a la temperatura admisible de entrada del secador. (9) - Expresando en porcentajes la eliminación de agua y suponiendo que el post-enfriador nos entrega aire saturado (100% H.R.), tenemos para los distintos secadores los siguientes valores:
TIPO
% Eliminación
Secador por absorción Secador por refrigeración Secador por adsorción
20%-40% 80%-90% 90%-96%.
74
~
CAPITULO V 5) FILTRADO DEL AIRE COMPRIMIDO OBJETIVO DIDACTICO: Que el lector conozca los elementos usados para filtrar el aire comprimido y pueda discernir acerca de su aplicación.
5.1) INTRODUCCION
Ya hemos adelantado en el capítulo anterior algunos aspectos de filtración que atañen a la instalación en general, faltaría, para completar el panorama, atender otros puntos clásicos donde se realiza la filtración. Tratemos, primeramente, de advertir el motivo por el cual debemos usar filtros.
~
El aire ambiente que aspira el compresor, contiene impurezas. A éstas, se le agregan las que el propio compresor genera así como también las que pueda encontrar en camino hacia los puntos de distribución. Esas impurezas son de distinta índole y de distinto tamaño. Creemos que es interesante que sepa que en un ambiente normal pueden encontrarse alrededor de 150.000.000 de partículas por m 3 de aire y que cerca de un 80% de estas tienen un diámetro medio de 2 micrones. Existen también partículas muy pequeñas como las de los aerosoles de aceite que alcanzan tamaños tan jrminutos como 0,01 micrón. El tratamiento que tocaremos aquí, responde en forma directa a las necesidades de calidad de aire :·etendido. De hecho, un suministro central podría acondicionarse a la más alta calidad de aire, pero muy :~bablemente esto no sea lógico ni rentable. Resulta más cómodo y más barato, el preparar todo el aire para
_,...a calidad media y reacondicionarlo localmente según las necesidades. Esta tarea es la que se confía a los ""i170s. 11 l 5.2) FILTROS El rol fundamental de cualquier filtro es el de "protector''. Sí, protegen los elementos "aguas abajo"
:e s.~ posición. Entendiendo este concepto, entenderemos, no solo la importancia del filtro sino también la razón :e LS eventuales combinaciones. Para una mejor comprensión hemos dividido los filtros en dos grandes grupos: los estándar y los :s:ec~ales. Los denominamos así, pues de ordinario se suele colocar el filtro más común, sin demasiada
::.:rc:encia de su función y limitaciones.
5..2.. 1) FILTAOS ESTANCAR El filtro está construido de manera tal que imprima al aire comprimido entrante un movimiento de c-.:c:c-~ oor medio del deflector de paletas eliminando los contaminantes como polvo y gotas de agua por fuerza :::I!'"T""~ _;;a. filtrando luego las partículas más pequeñas mediante un elemento filtrante para que el aire :::n;:.-~ jo procesado pueda fluir hacia la salida. Undeflectorubicadodebajodelelernento evita la turbulercia que podría
75
arrastrar los contaminantes extraídos del aire comprimido (ver figura 5.01 ). Los elementos filtrantes son clasificados por el tamaño de las partículas que interceptan, cubriendo un amplio entorno, desde 2 hasta 100 micrones, según los fabricantes. En su mayoría son recuperables por lavado.(2l Los fabricantes suelen instalar elementos filtrantes de distinta granulometría, la que aconsejamos usar es de 5 micrones.(3l Los vasos son, en general, de policarbonato transparente. Este material es extremadamente resistente a la presión pero muy sensible al ataque del alcohol y de otros hidrocarburos. Es recomendable cubrir estos vasos con vasos metálicos que además de proteger de cualquier explosión, también protegen de golpes accidentales exteriores. En casos especiales pueden usarse vasos metálicos o de plástico. Cuando las gotas de condensado se depositan en el fondo del vaso, por efecto ciclónico, se produce una acumulación de agua que debe ser eliminada. La eliminación de este condensado puede ser manual o automática. Las purgas automáticas siguen los princ1p1os antes estudiados y en general se construyen de forma que puedan ensamblarse a la estructura de los filtros.
FIGURA 5.01 - ESQUEMA DE UN FILTAO STANDARD.
Algunas veces estas purgas se montan externamente, en otras, el aparato está ya ensamblado en el vaso, con lo cual lo oportuno para incorporarla es cambiar directamente el vaso. La elección correcta de un filtro estándar se realiza mediante la consideración de los siguientes puntos:
* Caída de presión que origina para el caudal y presión considerados * Area dispuesta para el filtrado * Volumen del vaso *Facilidad operativa para el cambio La tabla T 5.01 muestra los materiales más comúnmente empleados para los filtros estándar.
76
-.... ~.
TABLA T 5.01- MATERIALES PARA FILTROS 1
ELEMENTO
FORMAS DE FILTRACION :
MALLA
1
FIELTRO, PAPEL, PAPEL DE FIBRA, ETC
FILTRACION INTERNA
FINA (5 MICRONES)
METAL
FILTRACION INTERNA
PEQUEÑA Y MEDIANA
MALLA DE ALAMBRE
FILTRACION EXTERNA
GRANDE
1
5.2.2) Filtros especiales Hemos llamado así a los filtros que son capaces de retirar alguna impureza que resulte "invisible para los filtros estándar''
TABLA T 5.02- CLASIFICACION DE FILTROS :-
FILTROS
:
NIVE~-~-~-------------------r··--------------;~~~;;~~~----------------1
1
FILTRADO 1 -----------------------__l-------------------------------------------------, 1 Eliminacion de conl 5 micrones 1 densado (gotas) e l 1 impurezas sólidas.
1
11 1
Standard (para referencia)
1
1
1
1 1
Con elemento de fibras para adsorción (elemento X)
1
Con filtro de aire Submicrónico (elemento Y).
l
1
-------------------------~1
3 Micrones
1
1
------------------------ ------------------------
Eliminación de aceite (gotas, niebla).
1
J 1 1
1
1---------....------------------------------r·-----------------------------------------------i 0.3
l
l
l Micrones
Eliminación de carbón y alquitrán del aire comprimido.
1
1 1
---------4------------------------------L------------------------------------------------1 Con filtro separador de aerosoles de aceite (elemento micronaught).
1
1
1
0.3
1
Micrones
1
1
1
1
Eliminación de polvo, aerosoles de aceite y agua(gotas) del aire comprimido.
l :
---------+----------------------------··t··-----------------------------------------------~ Con filtro separa1 l Eliminación de olo1 dor de aerosoles l 0.01 l res en el aire com1 de aceite (elemenl Micrones l primido. 1 to Odornaught) 1 _ _ _ _ _ _ _ ____JL...,__ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _l _________________________________________________ _
77
El cuadro de filtración, T.5.02, que mostramos ante-iormente nos dará una idea más amplia del panorama que vamos a tocar en este punto. Los filtros especiales están construidos con estos elementos de manera tal de cubrir en cada caso la más amplia gama de necesidades de filtración. Presentaremos a continuación distintos tipos de filtros que responden a exigencias crecientes.
5.2.2.1} FILTRO SUBMICRONICO COALESCENTE FINO La figura 5.02 nos muestra un filtro capaz de retener partículas del orden de los 0,3 micrones y niebla de aceite en un porcentaje significativo: 99,9%, que equivale aproximadamente a 1 mg/Nm3 (como remanente). Este filtro trabaja con un elemento filtrante descartable (filtro coalescente). FIGURA 5.02 • ESQUEMA DE UN FILTAO SUBMICRONICO FINO. Al pasar el aire por este elemento, los líquidos atrapados se asocian en gotas y descargan hacia una zona central; la corriente arrastra las gotas hacia un elemento de separación que recolecta el líquido que a su vez cae al recipiente inferior de mayor volumen. Este filtro debe drenarse periódicamente y también admite la incorporación de una purga automática. La elección de este filtro se hace en función de la calidad del aire pretendido, del caudal, la presión y la pérdida de carga admisible. Más adelante hablaremos de sus aplicaciones. Su instalación debe respetar la mayor verticalidad posible.
FIGURA 5.03- FILTRO SUB-MICRONICO
O~.::---.
EXTRA FINO.
5.2.2.2) FILTRO SUBMICRONICO(COALESCENTE) EXTRA FINO Este filtro puede retener sólidos de 0,01 micrón en un 95% y aerosoles de aceite en un 99,9999%, esto equivale a O, 1 mg/Nm3 (aproximadamente 0.08 ppm). Su elemento filtrante, también descartable, se elabora combinando distintos tipos de materiales entre los que se encuentran: papel especial, fieltro (espuma de u reta no) y fibra de vidrio, todos especialmente tratados. La circulación del aire es desde el centro hacia afuera. La parte exterior del filtro aglutina los líquidos separados que luego caen al fondo del vaso. Las partículas sólidas, como en los casos anteriores de filtros coalescentes, quedan atrapadas en la parte interior del elemento filtrante. Debe evitarse que el líquido contenido lo toque, pues por capilaridad lo inutilizaría. Es necesario atender una purga periódica. Su instalación también debe ser en forma vertical.
78
Q.
1
-~
5.2.2.3) FILTRO SUBMICRONICO (COALESCENTE) SUPER FINO
QL-
'
A medida que crece la exigencia en cuanto a la calidad del aire, también crece la fineza de los filtros. El que presentamos en la figura 5.04 es capaz de retener sólidos de un diámetro medio de 0,01 micrón en un 95% y niebla de aceite de 99,9999%, equivalente a O, 1 gm/Nm 3 (aproximadamente 0,08 ppm). Toda la responsabilidad recae en el cartucho, que igual que en el caso anterior es descartable y coalescente, sólo que en este caso las capas filtrantes se han multiplicado. Existen filtros capaces de dar una señal visual de casi saturación por cambio de color en una parte del elemento filtrante.
Q
Este y los demás filtros aumentan considerablemente su vida útil si se hacen trabajar en conjunto y en órdenes de filtración creciente.
FIGURA 5.04- FILTAO SUBMICRONICO SUPERFINO.
La instalación de los filtros requiere de ciertas precauciones además de las mencionadas en cada caso:
~;
1 * Debemos utilizar el filtro en una línea de flujo ascendente. * Debemos limpiar la tubería con aire antes de ponerlo a trabajar. *La diferencia de presión aceptable hasta el recambio está comprendida entre 0,7 y 1,O bar. *Debemos instalar la descarga de la purga automática en una línea descendente.
5.2.2.4) FILTRO PARA ELIMINACION DE OLORES
o
1===----1
o
Se trata de un filtro poco conocido en la técnica neumática de automatización. En muchísimos casos, exponemos envases de alimentos u objetos de precisión a una atmósfera de secado. Cuidamos frecuentemente que no se contaminen con aceite, agua o partículas. Sin embargo, también debemos tener en cuenta las partículas orgánicas productoras de olores. En la figura apreciamos un filtro que, operando con un cartucho descartable, construido con carbón activado y microfibra de vidrio, permite eliminar el inconveniente mencionado. Como en los casos anteriores su elección se realiza tomando en cuenta el caudal que deberá procesar. Todos los filtros especiales tienen un sentido para su utilización, en algunos casos es coherente pensar, como adelantáramos en el punto anterior, en asociaciones de filtros para conseguir determinada calidad de aire.
= 3URA 5.05- ESQUEMA DE UN FILTRO PARA OLORES
79
5.3) APLICACIONES Estamos ahora en condiciones de plantear un cuadro general de situación en cuanto a la aplicación de los tratamientos de deshidratación y filtración. El aire puede necesitarse para distintas funciones y en consecuencia para cada una de ellas tendrá una especificación. La tabla que a continuación ofrecemos, trata de reunir grupos cuyas necesidades son similares y da una especificación en conjunto. El criterio que perseguimos es de simple orientación, pues pueden existir en la práctica situaciones similares.
TABLA T 5.03- TABLA DE EFECTIVIDAD ESPECIFICACION APLICACIONES A UTILIZAR
1
2
3
4
SOLIDOS (MICRON)
DONDE PUEDE TOLERARSE ALGO DE POLVO, HUMEDAD Y ACEITE POR EJEMPLO: * MOTORES DE EQUIPO INDUSTRIAL * LIMPIEZA GRAL. (PISTOLAS DE AIRE ETC.) *DISPOSITIVOS Y HERRAMIENTAS (PRENSAS NEUMATICAS MORDAZAS, ETC)
DONDE SE NECESITA AIRE LIBRE DE POLVO Y ACEITE PERO SE TOLERA ALGO DE HUMEDAD GENERADA POR LA CAlDA DE TEMPERATURA * MAQUINARIA INDUSTRIAL (SELLOS METALICOS) *EQUIPO NEUMATICO (EQUIPOS PARA SEÑALIZACION DE SECUENCIAS, ETC)
(ES PRECISO ELIMINAR COMO MINIMO)
HUMEDAD gn/Nm3
2-5-10 20-40 70- 100
ACEITE LIQUIDO SATURADO 5mg/Nm3
VAPOR SOBRE
99.9%
NIEBLA
99.9%
VAPOR SOBRE SATURADO
1mg/Nm3
99.9%
2-5-10
ACEITE LIQUIDO
20-40
99.9%
70- 100
5mg/Nm3
HUMEDAD HASTA PUNTO DE ROCIO -1rCA PRESION ATMOSF.
0.3
DONDE SE NECESITA AIRE LIBRE DE HUMEDAD PERO SE TOLERA POLVO Y ACEITE * LUBRICACION *ENTRE LOS EQUIPOS DEL SISTEMA 1 CUANDO SE EXPERIMENTAN CAlDAS DE TEMPERATURA EN LOS PUNTOS FINALES * PINTURA EN GENERAL * LUBRICACION POR ROCIADO
DONDE SE NECESITA AIRE LIBRE DE POLVO, HUMEDAD Y ACEITE * INSTRUMENTACION *PINTURA DE ALTA CALIDAD * ENFRIAMIENTO * SECADO EN GENERAL
0.3
NIEBLA
99.9% 1mg/Nm3
80
HUMEDAD HASTA PUNTO DE ROCIO -17°C A PRESION
OLOR
-;
~
ESPECIFICACION APLICACIONES A UTILIZAR
5
6
7
SOLIDOS (MICRON)
DONDE SE NECESITA QUITAR DEL AIRE CASI TODA LA HUMEDAD, POLVO Y ACEITE. POR EJEMPLO: *INSTRUMENTOS DE MEDICION NEUMATICA (CALIBRES NEUMATICOS) *ELEMENTOS PARA FLUIDICA *PINTURA ELECTROSTATICA *SECADO Y LIMPIEZA DE ELEMENTOS DE PRECISION
DONDE ES PRECISO AIRE LIBRE DE OLOR, HUMEDAD, POLVO Y ACEITE. POR EJEMPLO: * MEZCLADO, TRANSPORTE, SECADO Y EMPAQUETADO EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA Y FARMACEUTICA. *FERMENTADO DE MATERIAS ORGANICAS PARA CONSUMO HUMANO * ATMOSFERA DE PROTECCION EN DIVERSOS PROCESOS
DONDE SE NECESITA AIRE LIBRE DE POLVO Y. ACEITECON MUY BAJO PUNTO DE ROCIO. POR EJEMPLO: *SECADO DE COMPONENTES ELECTRICOS Y ELECTRONICOS * ALMACENADO DE PRODUCTOS FARMACEUTICOS * SECADO PURO DE ENVASES ANTES DEL LLENADO * TRANSPORTE DE GASES O PRODUCTOS EN POLVO * INSTRUMENTACION MARITIMA
(ES PRlCISO ELIMINAR COMO MINIMO
HUMEDAD
OLOR
gn/Nm3
0.01
HUMEDAD HASTA PUNTO 99.9999% DE ROCIO -17°C A 0,1mg/Nm3 PRESION ATMOSF.
0.01
HUMEDAD HASTA PUNTO DE ROCIO -17°C A PRESION ATMOSF.
NIEBLA
NIEBLA
99.9999% 0,1mg/Nm3
99% y MAS
HUMEDAD HASTA NIEBLA 0.01
99.999% 0.1 mg/Nn3
PUNTO DE ROCIO 32ºC. A PRESION ATMOSF.
----
Lo que en esta tabla exponemos, no es excluyente y puede ocurrir que su problema no encaje en ningún sistema, tendrá, por tanto, una especificación diferente. Planteada esta situación surge inmediatamente la pregunta:¿Cómo puedo conseguir un aire de tal naturaleza?. Cada una de las especificaciones anteriores, representativas de una necesidad particular, tiene posibilidad de ser materializada en lo que podríamos llamar un "sistema de filtración". Por ejemplo, si se necesitara un punto de rocío a presión atmosférica de -SOºC, es lícito montar en serie un secador por refrigeración y uno por adsorción. Esta necesidad podría complementarse con la filtración necesaria.
5.4) SISTEMAS TIPO PARA EL TRATAMIENTO DE AIRE Después de haber revisado prolijamente los medios a nuestra disposición podemos concluir que :ara cada necesidad habrá una combinación de medios que corresponda al tratamiento más indicado (esto es, e· más rentable).
81
La figura 5.06 nos muestra una propuesta esquemática, sin que neces3.riamente sean las únicas que podríamos conseguir pero que son las más comunes.
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8 7
FIGURA 5.06- SISTEMAS DE TRATAMIENTO TIPO PARA EL TRATAMIENTO DEL AIRE. A= POST-ENFRIADOR AIRE-AIRE C
B = POST-ENFRIADOR AIRE-AGUA
=DRENADOR AUTOMATICO
D D=TANQUE
E = FILTAO DE LINEA
F =SECADOR POR REFRIGERACION
G = SECADOR POR ADSORCION
H = DRENADOR
1= FILTRO MECANICO
J = FILTAO SUBMICRONICO FINO
K= FILTAO SUBMICRONICO EXTRA FINO
L = FILTAO SUBMICRONICO SUPER FINO
M FILTRO PARA OLORES A manera de repaso, revisemos las tres partes en que se divide este esquema, La primera parte corresponde a la línea principal, la segunda a la sub-línea y la tercera a la línea local.
5.4.1) LINEA PRINCIPAL Los equipos de limpieza de aire de la línea principal son: A) Post enfriador aire - aire. B) Post enfriador aire - agua. C) Drenador grande y/o motorizado. D) Tanque de almacenamiento. E) Filtro de línea principal.
Estos equipos podemos pensarlos como de uso obligatorio para cualquier instalación.
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5.4.2) SUB- LINEA Aquí comienza una primera hipotética distribución hacia tres grupos característicos según el grado de humedad requerido. Toda la distribución, antes de llegar a cada rama, estaría evacuando la eventual condensación por el drenador automático. En el primer grupo de la sub-línea no se trata el aire que se distribuye pero se protege la instalación colocando drenadores. En el segundo, en cambio, aparece un secador por refrigeración capaz de secar el aire hasta un punto de rocío de -17ºC aproximadamente. El drenador sugerido se coloca como protección para el caso en el que el secador salga de servicio o sea eliminado momentáneamente para su mantenimiento. El tercer grupo de la sub-línea trata el aire para un punto de rocío de -30ºC. La instalación del secador por adsorción se hace directamente en serie y se protege con un filtro .J. cuyas características repasaremos en el punto siguiente
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j
·~
En definitiva:
'
E Secador por refrigeración
"~'
~ Secador por adsorción
.t! Drenador chico El cuadro siguiente servirá de consulta para la utilización e individualización de los filtros.
TABLA T 5.04- CAPACIDAD DE ELIMINACION CAPACIDAD DE ELIMINACION FILTRO
OBSERVACIONES
DENOMINACION SOLIDOS NIEBLA-ACEITE OLORES (mg/Nm3) (MICRONES)
1
FILTAO MECANICO
2- 100
.......................
.........................
GOTAS DE AGUA
5 ESTANDAR
.......................
... ....................
POR SEPARACION CICLONICA
J
COALESCENTE FINO
0.3
99.9% (1)
...........................
............................
K
COALESCENTE EXTRA FINO
0.1
99.99% (0.1)
........................
............................
L
~OALESCENTE SUPER FINO
0.01
99.9999% (0.01)
...........................
-----------
M
FILTAO DE OLORES
0.01
-----
99/9%
----------
83
f
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5.4.3) LINEA LOCAL Cada uno de los grupos de la sub-línea continúa por las líneas locales correspondientes donde, antes del consumo, se trata el aire de acuerdo con lo especificado y con respecto a sólidos, aceite y olor. La asociación de filtros que se aprecia en algunas ramas sólo se hace a los efectos de prolongar la vida útil del conjunto. De esta manera la filtración es progresiva y cada filtro trabaja dentro de su escala de filtración aceptable. Insistimos en estos conceptos pues los consideramos muy importantes. Para finalizar, reiteramos que estas combinaciones son las más frecuentes aunque no las únicas, seguramente pueden encontrarse otras que se adapten más a un caso específico, apoyándose en la estructura que hemos presentado. Por otra parte esa ha sido la intención al ofrecerla.
LLAMADAS AL CAPITULO V (1) - Si bien el filtro de línea es también un equipo que sirve para acondicionar el aire, lo hace en forma general y no en un nivel de exigencia extrema. (2) - El lavado de los elementos filtrantes de los filtros estándar es generalmente posible cuando el material del mismo es bronce sinterizado. El método más simple es el lavado con agua tibia y detergentes dejando secar en un lugar protegido del polvo y de la suciedad. Su recuperación es limitada, aunque esto depende del cuidado que se ponga en ello. Cuando en el filtro se produce una caída de presión de 1 bar, la práctica aconseja cambiar el elemento filtrante. (3) - Esta es una recomendación de orden general que debe obligatoriamente subordinarse a las necesidades particulares de calidad de aire.
84
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CAPITULO VI 6) REGULACION DEL AIRE COMPRIMIDO OBJETIVO DIDACTICO: Que el lector conozca y comprenda porque y para que se necesita regular la presión en el aire comprimido.
6.1) INTRODUCCION REGULACION DE LA PRESION DEL AIRE COMPRIMIDO Como en todas las técnicas que manejan energía, en la neumática también es necesario controlarlaYl La energía está directamente relacionada con la presión del sistema y el gobierno debe ejercerse controlando la presión. Las herramientas (o componentes) que permiten este control son los reguladores de presión.(2l
Gracias al regulador de presión podemos conseguir una presión menor a la que genera el compresor, presión que adaptaremos a nuestras necesidades de trabajo. Es interesante señalar que, en función de lo anterior, podemos distinguir dos presiones (o niveles de energía) diferentes: la presión que entrega la fuente compresora y la presión que usamos para trabajar. Observemos que la primera puede ser variable, obedeciendo en sus cambios a las posibilidades y regulación del compresor, mientras que la segunda siempre deberá ser constante, pues para un aprovechamiento racional de la energía neumática, necesitamos que esta se mantenga al mismo nivel. De ahora en más a la presión variable, anterior a nuestro regulador la llamaremos "presión de régimen" y a la que sale del regulador (presión constante), la llamaremos "presión de trabajo".(3l Hemos dividido nuestro estudio en tres partes: la de los reguladores estándar, la de los reguladores piloto y la de otros reguladores.
6.2) REGULADORES DE PRESION ESTANCAR lilamaremos así a los reguladores más comúnmente usados en automatización neumática. Funcionamiento:
,Se basa en el equilibrio de fuerzas en una membrana (verfigura 6.01) que soporta por su parte superior la tensión
1* un resorte, tensión que puede variar-se a voluntad del operador por la acción de un tomillo de accionamiento '.anual.
Por su parte inferior, la membrana está expuesta a la presión de salida y por lo tanto a otra fuerza, que en condición descanso, resulta ser igual y contraria a la tensión del resorte.
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1
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1
FIGURA 6.01 - FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE LA MEMBRANA DEL REGULADOR (PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO). Cuando la membrana está en equilibrio la entrada de aire comprimido (en nuestro caso) está cerrada. Si desequilibráramos el sistema por aumento voluntario de la tensión del resorte, la membrana descendería ligeramente abriendo la entrada de aire a presión. Su introducción se permitirá hasta que nuevamente se logre el equilibrio perdido, solo que esta vez a la salida la presión será ligeramente mayor. Otra forma de desequilibrio puede producirse cuando se "afloja" el resorte. En este caso la membrana subirá destapando el orificio central (hasta ahora obturado por el vástago del tapón de cierre) permitiendo que el aire escape a la atmósfera por los orificios señalados (ver figura 6.02). Este escape se mantendrá hasta que la presión de salida (que obviamente ha disminuido) produzca una fuerza tal que reestablezca el equilibrio. El regulador que trabaja según la descripción anterior se llama "regulador_de presión con escape" y mantiene las condiciones de presión previstas tanto por exceso como por defecto.(4l Retomando la situación de aflojar el resorte, puede ocurrir que la membrana al subir no destape ningún orificio (porque este no exista), en este caso no habrá escape de presión a la atmósfera. Estamos en presencia de un "regulador de presión sin escape."
FIGURA 6.02 - ESQUEMA DE UN REGULADOR DE PRESION CON ESCAPE
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Cabe mencionar que en este cas0la presión no descenderá hasta que no se produzca algún consumo. En la parte inferior de la figura 6.02 se muestra el detalle de un regulador sin escape. Sólo con la intención de ilustrar las posibilidades de componentes disponibles, brindamos a continuación el esquema de un mini-regulador de aire con escape. (ver figura 6.03)
6.2.1) CARACTERISTICAS DE CALIDAD DE UN REGULADOR ESTANCAR Conocido ya el funcionamiento de un regulador de presión, es interesante detenerse a pensar en que características habrán de permitir la elección de un regulador de mayor calidad que otro. Los parámetros ciertos de comparación entre reguladores son: capacidad de flujo y capacidad de mantenimiento de la presión regulada.
6.2.1.1) Capacidad de flujo El aire debe evolucionar a través de intrincados conductos antes de salir del regulador. Cualquier acción que se verifique en el sentido de permitir un fluir menos complicado, redundará en un mejor desempeño del aparato. Simplemente como orientación, diremos que los elementos relacionados con el desempeño, en cuanto a flujo se refiere, son: diámetro de pasaje de la válvula principal, curvas o desviaciones suaves, amplitud, dispositivos de comparación, resorte de regulación, rigidez del diafragma, etc.
o
FlGURA 6.03- ESQUEMA DE UN MINI-REGULADOR DE AIRE COMPRIMIDO CON ESCAPE
Cabe mencionar que el comportamiento conjunto de todos esos elementos puede apreciarse en la figura 6.04. En ordenadas (eje vertical), representamos la presión, y en abscisas (eje horizontal), el caudal. Cada una de las curvas representadas muestra el comportamiento del regulador para un determinado caudal. Por ejemplo: Si el regulador A tiene una presión de regulación de 6 bar en condiciones estáticas, para un caudal 0 1 , la presión del secundario es P1 (bastante más baja que la regulada en condiciones estáticas) ¿Qué es lo deseable en este asunto? Obviamente que la curva mencionada se mantenga lo más horizontal posible.
Esto indicaría un regulador de mayor calidad. En el caso de la figura 6.04, el regulador B, cuyas curvas de caudal tienen una zona horizontal, es mejor que el A que no las presenta.
CJando necesite reguladores de presión, le recomendamos que tenga en cuenta sus necesidades de caudal y de presión, y en base a las curvas seleccione el más apropiado a sus necesidades.
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FIGURA 6.04- CURVAS CARACTERISTICAS DE FLUJO PARA DISTINTOS REGULADORES. 8 ES SUPERIOR A A
6.2.1.2) Capacidad de mantenimiento de la presión regulada.
Los materiales con que se construye un regulador están sujetos a rigideces y rozamiento. Esto produce 1 fenómeno que podría tratar de definirse como la diferencia de valor que experimenta una variable cuando camb de signo.
Un ejemplo muy ilustrativo lo constituye la diferencia de longitud de un tren cuando marcha hacia adelante y hac atrás.
Este fenómeno se denomina "histéresis" y en los reguladores puede apreciarse cuando se someten a un ensa~ que responde al siguiente esquema: RESTRICCION REGULADA C=20NVmin PARA CONDICION INICIAL
REGULADOR PARA VARIAR LA PAESK>H
REBUL.ADOA EN ENSAYO
DE ENTRADA
FIGURA 6.05- CIRCUITO PARA ENSAYO DE HISTERESIS DE UN REGULADOR.
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-·-·------,
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Al variar la presión de entrada (por aumento o disminución) el regulador en ensayo producirá variaciones de la presión de salida de tal forma que si graficáramos los resultados obtendríamos curvas similares a las que muestra la figura 6.06.
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B
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9
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10
o
DE AJUSTE
--
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L.5
PUSION Ol.u.un:cDOEHTO qp.:.l
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2
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6
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PUSJON DE AJ..\I'RCIMD:NTO ~
---
----
---
8
9
10
-----
FIGURA 6.06- CURVAS DE HISTERESIS PARA DOS REGULADORES DIFERENTES. OBSERVESE QUE PARA UN VALOR DADO DE PRESION DE ENTRADA (P1a) TENEMOS DOS VALORES DE ENTRADA Y SALIDA (P2a Y P2b) En ellos se aprecian dos valores distintos para un mismo valor de presión de entrada. A la diferencia entre estos dos valores se la conoce como histéresis. El regulador será de mejor calidad en tanto la histéresis sea menor y las curvas se mantengan lo más horizontal posible.
6.3) REGULADORES PILOTO Un primer intento, en la obtención de un regulador más preciso, fue instalar un "resorte" cuya tensión no variara con la elongación. Así se llegó al regulador piloto que presentamos en la figura 6.07. Como puede apreciarse, este aparato consiste en dos reguladores, uno que funciona como piloto (cuya salida e secundario se usa de "resorte") y otro que es el principal por el que pasa el caudal de trabajo. Es evidente que un regulador como el descrito tendrá mejores características de caudal y de mantenimiento de la presión secundaria. Otro regulador interesante es el regulador de presión por control remoto. Este aparato es capaz de modificar la presión de salida con una señal que puede darse desde cierta distancia. La figura 6.08 nos muestra este regulador y su asociación con otro que es quién le da la señal.
o
Básicamente se trata de un regulador similar al anterior, pero en este caso el regulador que hace las veces de piloto está separado del cuerpo principal y puede ser un regulador estándar cualquiera. El cuerpo principal puede describirse así:
FIGURA 6.07 - ESQUEMA DE UN REGULADOR PILOTO
89
--~
1) Boca de salida para presión de control: permite swninistrar presión da aire primario a un regulador piloto. 2) Plato de válvula: cuando se rompe el equilibrio entre la presión piloto y la presión secundaria, la proporción requerida de presión primaria es suministrada a la cámara de presión secundaria. Es una válvula de gran diámetro y tiene por lo tanto buenas características de flujo. 3) Pistón de regulación: cuando se equilibran la presión piloto y la presión secundaria, la válvula se cierra. Cuando la presión secundaria hace subir el pistón más allá del nivel prefijado, la válvula aliviadora se abre liberando la presión excedente a la atmósfera.
FIGURA 6.08- CORTE EN PERSPECTIVA DE UN REGULADOR DE PRESION GOBERNADO POR CONTROL REMOTO
4) Boca de entrada de presión piloto: un regulador piloto suministra una presión de nivel prefijado. 5) Regulador piloto: Aún utilizando un regulador piloto de características no muy buenas, se puede regular con mucha precisión la presión secundaria del regulador principal.
6.4) OTROS REGULADORES Para elevar la precisión de regulación, los reguladores del tipo semiprecisión y de precisión están equipados con un sistema de fuga permanente (conocido más comúnmente como sistema "tobera-lengüeta") por debajo de 3 litros/minuto. El volumen del flujo de aire de la mayoría de estas válvulas es inferior a 400 litros/minuto. Estos reguladores son, en general, clasificados por su rango de ajuste y su precisión de regulación como se ve en la tabla siguiente:
90
TABLA T 6.01 -TABLA DE RANGO DE AJUSTES Y PRECISION
CLASE
ALTA PRESION MEDIA PRESION BAJA PRESION SEMI-PRECISION PRECISION ~--··--
RANGO DE AJUSTE
0.7- 17.5 (KGF/CM2) 0.5-8.5 0.2-3.5 0.11 -2.5 0.05-2.0
---~
PRECISION DE REGULACION
1
0.4 (KGF/CM2} 0.2 0.1 0.05 0.005 -~--
- - -- - - - - - - - -
Estos reguladores tienen aplicación en instrumentación neumática o en procesos donde se requiera una alta precisión en el valor de presión de salida.
6.5) ELECCION DEL REGULADOR Los parámetros a tener en cuenta para elegir un regulador son: a} Rango de ajuste (o de regulación}: Es decir, entre que valores de presión de salida va a ser usado el regulador. b} Relación P/Q (o características de caudal}: verificar que para el rango de caudales a utilizar, la presión de salida se mantenga dentro de variaciones aceptables de presión. e} Histéresis: en ciertos casos es necesario especificar la banda de histéresis tolerada así como también el rango de variación de presión aceptado para variaciones de la presión de entrada. Teniendo en cuenta estos parámetros. podemos elegir el regulador más apto para el trabajo que tenemos asignado para él.
LLAMADAS AL CAPITULO VI (1}- En realidad nos estamos refiriendo a la diferencia de potencial neumática P = P2 - P1• Piense el lector en el paralelismo que existe entre esta técnica y la electricidad V= V2 -V 1• (2) - Los reguladores de presión pertenecen a un grupo de válvulas llamado "Válvulas controladoras de presión" del cual estamos viendo la válvula reguladora de presión. Este adelanto obedece fundamentalmente a razones de orden didáctico y no altera para nada el objetivo de este manual. (3} - En muchos manuales se alude por estos términos a la "presión primaria" y a la "presión secundaria". Esta comparación no es del todo correcta pues no hay una transformación real y siempre el nivel de entrada es mayor que el nivel de salida. (4)- Se lo conoce también como regulador de presión con alivio o con descarga.
91
-CAPITULO VIl 7) LA LUBRICACION OBJETIVO DIDACTICO: Que el lector conozca y comprenda como i lubricar las partes móviles de los elementos que trabajan con aire comprimido.
7.1) INTRODUCCION La forma práctica más lógica para lograr el correcto funcionamiento de todo aparato en el que se verifiquen movimientos es, sin duda, la lubricación. Entre los componentes neumáticos existen dos formas de llevar a cabo esta lubricación: con lubricantes sólidos y con lubricantes líquidos. En muchos casos se prefiere el lubricante sólido (que durará lo que el componente en cuestión) pues existe menos riesgo de contaminación del producto que se estuviera elaborando. Cuando en cambio, se trata de lubricante líquido, la solución formal es instalar lubricadores. La función de estos aparatos es incorporar al aire ya tratado, una determinada cantidad de aceite.(1l Una clasificación razonable para ellos puede hacerse atendiendo a su zona de influencia, así tenemos: A 1) Unidades individuales de lubricación. A 2} Unidades centrales de lubricación. Veamos entonces, el primer grupo.
7.2) UNIDADES INDIVIDUALES DE LUBRICACION En todos los casos estas unidades cuentan con un dispositivo que eleva el aceite y lo incorpora en la vena
de aire en forma pulverizada. Esta elevación puede controlarse externamente y la energía para hacerlo, así como también la necesaria para su pulverización, se toma de la energía del aire en circulación. Existen dos grandes grupos de lubricadores individuales que se distinguen por el tipo de niebla de aceite que producen: el estándar y el de microniebla.
7.2.1) EL LUBRICADOR ESTANCAR En el lubricador estándar se produce una caída de presión provocada por la restricción del flujo. Al haber una caída de presión se produce un desbalance de presiones que adecuadamente dirigido provoca la elevación de la columna de aceite y su posterior incorporación en la corriente de aire. El problema característico reside en que la caída de presión está directamente relacionada con el caudal en circulación. La aplicación de este principio se vería limitado a caudales pequeños si no existiera la posibilidad de modificar la sección transversal en relación con el aumento o la disminución del caudal. Hay por lo menos tres dispositivos que permiten una variación proporcional. ellos son: válvula de asiento, pistón y aleta flexible. En la figura 7.01 apreciamos los esquemas que materializan los distintos tipos de construcción.
93
FIGURA 7.01 -DISPOSITIVOS QUE PERMITEN LA INCORPORACION PROPORCIONAL DE ACEITE AL AIRE COMPRIMIDO.
En la figura 7.02 vemos un lubricador de aleta flexible completo.
FIGURA 7.02 - LUBRICADOR PROPORCIONAL DE NIEBLA DE ACEITE
1
Existen otros tipos de lubricadores estándar que se han construido sin respetar estos principios. Son los que tienen una proporción de mezclado llamada regresiva pues cuanto mayor sea el caudal de aire en circulación, menor es la cantidad de aceite por unidad de volumen de aire comprimido. Con el ánimo de que se comprenda cabalmente la función de un lubricador proporcional, presentamos en la figura 7.03 el comportamiento presión/flujo, teórico y real. La línea 'T' corresponde al comportamiento teórico de caída de presión con respecto al aumento de flujo (proporcional: mezcla ideal aire-aceite). La curva "S" representa el comportamiento real para un lubricador proporcional y la curva "R" es el comportamiento que se obtiene con un lubricador de orificio fijo o regresivo.
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1000
2000
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FIGURA 7.03- CAlDA DE PRESION EN LUBRICADORES PROPORCIONALES Y REGRESIVOS El tamaño de estos aparatos está directamente relacionado con la necesidad de caudal que se tenga. Su capacidad de lubricación está limitada a aproximadamente 7 metros de recorrido por la tubería. (2 )
7.2.2) EL LUBRICADOR DE MICRO-NIEBLA Este lubricador, representado en la figuras 7.04, tiene como característica principal asegurar una pulverización extra fina, necesaria en casos especiales de lubricación, como por ejemplo instalación de circuitos intrincados con muchas curvas. Su funcionamiento es muy sencillo: el aceite derramado en lugar de entrar directamente en el torrente de aire, lo hace hacia una tobera y en dirección al depósito de aceite.
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1
De esta forma las gotas más gruesas quedan retenidas en el depósito y nuevamente incorporadas al aceite.
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Cabe mencionar que en el lubricador de micro-niebla, el aire que pasa a través de él se divide en dos partes que recorren el lubricador por distintos caminos. Una parte pasa directamente hacia la salida y la otra se dirige al depósito de aceite retomando la dirección de la salida después de haber entrado en contacto con el aceite super pulverizado. La parte que pasa directamente es controlada por la lengüeta cuya posición está directamente relacionada con el caudal. Es fácil advertir que como todo el aire que entra, debe salir, la restricción impuesta por la lengüeta sobre la primera parte del caudal regula automáticamente la otra y viceversa permitiendo, de esta forma, una distribución proporcional de la microniebla.
··'·-------····--------::7-_:__--.. -;~_::::;::-
Debido a la fineza de la lubricación obtenida con estos elementos, y con el ánimo de mantener una calidad uniforme es aconsejable instalar, antes del lubricador, un filtro que asegure la retención de partículas sólidas de tamaño muy fino así como también, en lo posible, partículas de aceite provenientes del compresor.
FlGURA 7.04- LUBRICADOR EXTRA FINO DE ORIFICIO VARIABLE
95
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A manera de comentario general podemos decir que algul'los lubricadores permiten la reposición de aceite durante la operación. Esto generalmente depende de los modelos y de los fabricantes. La regulación de la cantidad de aceite es algo dificultoso en este lubricador pues no todo el aceite que se ve gotear en el domo, entra en la corriente de aire. Tanto en este lubricador como en el anterior, será necesario atender o vigilar el nivel de aceite de los vasos (3l. Otro tema interesante a considerar, y que frecuentemente se deja de lado, son las características que debe reunir el aceite que se aplica al aire comprimido. En general debe ser aceite mineral de viscosidad ligera. (4l
7.3) UNIDADES CENTRALES DE LUBRICACION Dentro de estas unidades podemos también hacer dos divisiones: las que trabajan por inyección y las que lo hacen por pulverización.
7.3.1) LUBRICACION POR INYECCION. Estos aparatos inyectan aceite a partir de una señal neumática provocada por una válvula que puede estar en el dispositivo neumático o fuera de él. Esta señal permite accionar un pequeño pistón que bombea el aceite hacia su destino a través de un tubo capilar. La figura 7.05 nos muestra un equipo que responde a esta función.
FIGURA 7.05- BOMBA DE PISTON PARA INYECTAR ACEITE A TRAVES DE UN TUBO CAPILAR Estos equipos exigen ciertas condiciones funcionales para trabajar correctamente, entre ellos está el nivel de presión y la frecuencia de la señal. La cantidad de aceite se regula mediante la carrera "X". Son especialmente apropiados para lubricar herramientas que sean utilizadas por períodos muy breves. Su utilización permite lubricar herramientas neumáticas, actuadores y también elementos mecánicos como engranajes, cadenas, rodamientos, etc. El principal inconveniente de este método reside en que suministra la misma cantidad de aceite para distintos tiempos de trabajo.
7.3.2) LUBRICADORES POR PULVERIZACION Cuando debemos lubricar elementos neumáticos se plantean ciertos problemas relacionados con los siguientes parámetros:
a) Caudal mínimo para el funcionamiento del aparato lubricador b) Caída de presión necesaria para la producción de aceite pulverizado e) Caudal máximo admitido por el aparato
96
~
d) Tiempo de reacción e) Alcance de lubricación f) Maniobrabilidad para la regulación del sistema Cualquiera de los sistemas hasta ahora propuestos no resistirá exitosamente un profundo análisis, sin embargo existen dos sistemas de lubricación centralizada que se destacan por su particular respuesta a estos requisitos.
7.3.2.1) SISTEMAS DE LUBRICACION POR BURBUJEO
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La burbuja al "explotar" en la superficie del aceite provoca una niebla de aceite cuyas partículas son de un diámetro aproximadamente 1O veces menor que las producidas por los otros sistemas de lubricación. El efecto es similar al que se produce en la superficie de un vaso de "gaseosa" recién servido.
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No vamos a entraren detalles constructivos aunque sí vamos a nombrar rápidamente sus características: mínimo caudal de arranque, escasa caída de presión, alto caudal máximo, inmediata respuesta, extraordinario alcance de lubricación (verdadero sistema de lubricación centralizado) y muy fácil maniobrabilidad.
1
FIGURA 7.06 - SISTEMA DE LUBRICACION CENTRAL POR BURBUJEO
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El principio básico de este sistema consiste en hacer burbujear el aire en el lecho de aceite, después de provocar una diferencia de presión que garantice este burbujeo.
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Ante tal evolución parecería imposible lograr una mejora en este sistema, sin embargo, obsérvese que existe (aunque poca) una caída de presión provocada por el aparato. Cualquier caída de presión significa un gasto. Si pudiera evitarse se conseguiría una real mejora del mismo. Esto es lo que ocurre precisamente en el lubricador por burbujeo con amplificador.
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Este es similar al anterior sólo que incorpora un ingenioso sistema de amplificación que permite el reingreso del aire con niebla ultra-fina de aceite, en el conducto principal de distribución.(5l
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FIGURA 7.07- SISTEMA DE LUBRICACION CENTRAL CON AMPLIFICADOR
97
Sólo a los efectos ilustrativos, presentamos las figuras 7.06 y 7.07 que muestran estos sistemas de lubricación.
7.4) ELEMENTOS NO LUBRICADOS Cuando decimos "elementos no lubricados" estamos refiriéndonos a aquellos que no necesitan lubricante líquido durante toda su vida útil. Debe advertirse que la lubricación existe, de todas formas, aunque en estos casos se trate de lubricación sólida administrada por el fabricante durante el armado o ensamblado del elemento. El lubricador al que hacemos referencia es grasa muy especial capaz de resistir grandes cambios de temperatura sin perder sus propiedades específicas. La aplicación de estos elementos "no lubricados" fue en pnnc1p1o, un tema exclusivo de las industrias farmacéuticas y alimentaria. El tiempo ha mostrado, en base a los resultados obtenidos, una extensa gama de operación y su uso se ha difundido grandemente. Quizás el problema principal que se presenta con la aplicación de estos elementos, esté radicada en la mezcla que podría ocurrir al aparecer en un equipo nuevo, que sería instalado en un sistema lubricado en forma centralizada o con las mezclas involuntarias dentro de un mismo equipo. Afortunadamente, este problema tiene una solución muy sencilla ya que casi bastaría con advertir el problema para eliminarlo. Cada fabricante ha advertido este problema y siempre recomienda que el aceite sea compatible con la grasa que utiliza. El único cuidado que deberá, entonces tomar el usuario es respetar la compatibilidad declarada por el fabricante. Se deduce en forma inmediata que cuanto más compatibilidad posea la grasa especial tanto más universales serán los elementos "no lubricados".
LLAMADAS AL CAPITULO VIl (1) Parecería ridículo que después de haber insistido tanto en la necesidad de retirar del aire todo el aceite posible (incluso aerosoles), mencionemos ahora la necesidad de incorporarlo. En realidad lo que estamos haciendo es retirar partículas de aceite (frecuentemente oxidadas y sulfuradas) cuyas propiedades lubricantes se han perdido o simplemente son diferentes a las que necesita el material neumático. (2) Este alcance debe interpretarse como lineal a una misma altura en toda la tubería, sin curvas bruscas.
(3) Existen estaciones que permiten alimentar en forma automática a todos los vasos del sistema. "Un suministrador central de aceite" entrega la carga a los vasos que lo necesitan. Esta necesidad se manifiesta por flotación. (4) La viscosidad de los aceites para uso neumático está especificada en las normas: JIS K2213 e ISO VG32. (5) Deberá considerarse que si bien este sistema de lubricación no presenta pérdida de carga, consume en cambio una cierta cantidad de caudal que es especificada por el "booster neumático" para elevar la presión y permitir el reingreso del aire con aceite pulverizado al torrente principal.
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CAPITULO VIII 8) EQUIPOS COMPUESTOS PARA EL TRATAMIENTO DEL A.C. OBJETIVO DIDACTICO: Que el lector conozca y comprenda la utilización de equipos compuestos para tratamiento del aire comprimido.
8.1) INTRODUCCION A medida que la neumática fue cobrando importancia en la industria, se fue difundiendo el uso de elementos que permitían preparar el aire comprimido para una utilización posterior. El propósito que se perseguía era prolongar la vida útil de los elementos que trabajaban con aire comprimido. Filtrar, regular la presión e incorporar aceite en el aire comprimido fue la primera respuesta racional para prolongar la vida útil y obtener un trabajo más parejo. Es así como aparecen las primeras "unidades de mantenimiento" o "unidades de preparación" que reúnen los tres dispositivos clásicos internacionalmente conocidos: filtro, regulador, lubricador. El tratamiento a que se somete el aire es en realidad muy elemental y podríamos decir que es el mínimo que podríamos exigirle a cualquier instalación.( 1l El desenvolvimiento posterior de la neumática ha llevado a desarrollos especializados que ya hemos adelantado con cierta profundidad en los capítulos anteriores, no obstante la popularidad de que gozan estas unidades compuestas nos ha llevado a incorporarlas en un capítulo aparte.
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8.2) UNIDADES DE MANTENIMIENTO Prácticamente ya hemos visto cada uno de los componentes de estas unidades. Rescataremos ahora sus características de desempeño, posibilidades de utilización e instalación en forma combinada. Cuando pensamos en una unidad de preparación debemos tener en cuenta varios conceptos y varios parámetros. Como primera medida aceptemos que los elementos constitutivos provocan una pérdida de carga claramente observable y por ende susceptible de ser medida; particularmente dos de estos: el filtro y el lubricador. Nótese que el regulador de presión no responde en forma transparente a esta situación, pues la presión es justamente el parámetro que regula. En el capítulo de "Regulación" hemos visto que la presión a la salida del regulador puede variar dependiendo ::Jel caudal y que sólo en los buenos reguladores habría un entorno de caudales para el que la presión "secundaria" se mantendría más o menos constante. Todo esto nos conduce a descubrir que las características de caudal de un equipo combinado F.R. L. son un reflejo de las características de caudal del regulador. (2l Por lo demás las características de filtrado se ajustan a las que presenta el filtro mecánico/ciclónico estándar. Su calidad depende de su diseño, esto es, de las consideraciones técnicas realizadas en cuanto a sus ajustes, ,uegos, dimensiones, etc(3l, así como también de las posibilidades o grados de filtración y de los accesorios con que ruentan(4 l.
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Cuando hablamos de accesorios, nos estamos refiriendo a todos &quellos equipos que no son indispensables para el funcionamiento de la unidad pero que en caso de ser utilizados facilitarían y/o permitirían algunas operaciones. El criterio que se ha observado en cuanto al diseño de estos elementos es la modularidad.
FIGURA 8.01 - ESQUEMA DE UNA UNIDAD DE PREPARACION TIPO MODULAR
La figura 8.01 muestra una unidad de tipo modular armada en forma sencilla, es decir, sin accesorios. Se distinguen claramente los tres elementos clásicos: filtro, regulador y lubricador. Las ventajas de la "unidad tipo modular" se encuentran en la posibilidad que brinda de ajustarse a una necesidad determinada. Cada módulo es independiente y completo en sí mismo de modo que puede jugar dos papeles diferentes: uno como integrante del conjunto( 5l y otro como elemento separado. Es muy importante tener la posibilidad de instalar fácilmente una válvula (a continuación del conjunto) que además de la conexión hacia el equipo de consumo permita su descarga cuando se interrumpe su funcionamiento. Es mejor aún, cuando además existe la posibilidad de instalar presostátos, derivaciones, otros tipos de filtros, de lubricadores, o de purgas automáticas. Definitivamente la posibilidad de habilitar un circuito eléctrico a partir de la presencia de presión, de derivar un ramal sin regulación o con ella, con lubricación o sin ella, la intercambiabilidad, la adaptabilidad y sobre todo el rango de conexiones , nos habla de las bondades de la modularidad Este es, al fin, el objetivo de la modularidad: permitir al usuario acomodar fácilmente el equipo a sus necesidades. Quizás uno de los aspectos más importantes sea la ubicación que le corresponde en el contexto del tratamiento del aire.·
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Tanto en el capítulo de Filtración, como en el de Regulación y el de Lubricación, no mencionamos la posibilidad de las combinaciones entre ellos. Existen muchas y sin duda el F.R.L. constituye la más elemental. Aquí sólo pretendemos dar una idea de las posibilidades que tendríamos si tomáramos lo hasta ahora visto y lo combináramos entre sí. La instalación del F.R.L. merece un comentario aparte. Debido a su tamaño, podríamos decir que el F.R.L. es una "unidad portátil" de preparación y acondicionamiento del aire. Esta condición o característica, sea quizás, la que le ha dado tanta popularidad, pues cualquier fabricante de máquinas puede incorporarla a su equipo y asegurar así un mínimo de condiciones para el aire de funcionamiento. La posición de montaje debe ser horizontal, el lugar accesible y preferentemente exento de vibraciones. Deben tenerse en cuenta las frecuentes visitas del personal de mantenimiento para el purgado de los filtros y el rellenado con aceite de los lubricadores. Si se instala una purga automática debería tenerse la precaución de canalizar el agua de drenaje hacia la tubería de desagüe más próxima. Esto evitará situaciones reñidas con la seguridad industrial.
8.3) El FllTRO REGULADOR Posiblemente la principal intención del diseñador de este aparato fue presentar un equipo más compacto. Se conjugan aquí, en un sólo cuerpo, el filtro y el regulador. Las características y consideraciones de calidad hechas en el punto 2) valen plenamente para el filtro regulador. Con la intención de mostrar un equipo representativo de F.R. presentamos en la figura 8.02 un corte esquemático. Obsérvese que un sólo cuerpo central recibe por la parte superior al regulador y por la inferior al filtro.
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FIGURA 8.02 - FILTAO REGULADOR COMBINADO EN UN SOLO CUERPO
FIGURA 8.03 - FILTAO COALESCENTE FINO Y REGULADOR COMBINADO
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Este equipo también responde al esquema de modularidad antes planteado, es decir. puede intercalarse en cualquier montaje modular que persiga determinado tratamiento. Como una variante interesante presentamos en la figura 8.03 un filtro regulador que tiene la particularidad de combinar, esta vez, un filtro coalescente fino con un regulador estándar. Con esta posibilidad puede cubrirse un rango más amplio de aplicaciones del a.c. Sobre todo en cuanto al tratamiento final o anterior al consumo, aún más teniendo en cuenta que, en este caso, tenemos disponible la regulación de presión. (a)
LLAMADAS AL CAPITULO VIII. (1) Saoemos que todo tratamiento de aire comprimido obedece a la necesidad de utilización del mismo. Aquí estamos suponiendo un uso elemental con aceite. (si se usara para limpieza no es necesario incorporar aceite al aire comprimido} (2) Es muy importante la presencia de un buen regulador en el equipo F.R.L., pues sus características, serán el reflejo de las de aquel. (3) La capacidad del vaso de recolección es una medida fácil de comprobar y es, sin duda, una muestra de calidad. La protección de los vasos es otra muestra de calidad. (4} En filtración es importante considerar la malla del elemento. Un rango amplio con extremos alejados y con muchas opciones intermedias es otro índice de calidad del filtro. (5} El armado de la unidad puede constituirse en un punto débil. La dificultad propia del montaje, el alineado y las pérdidas pueden jugar PESADAMENTE en contra de este tipo de elementos de no mediar una alta calidad de diseño y matricería. Otro aspecto de calidad lo constituye el rango de conexiones posibles ofrecido por el fabricante. (6) Debe quedar bien claro que todo este tipo de unidades no reemplaza a los dispositivos (filtros, secadores, etc) vistos en los capítulos anteriores. Sólo son simplificaciones aplicadas en la mayoría de las utilizaciones . Un trabajo serio de tratamiento habrá de considerar el mismo a partir de la necesidad de la calidad de aire a utilizar.
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