CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN A LA NEUMÁTICA
1.2.- CONCEPTOS GENERALES DE NEUMÁTICA
Veremos a continuación una breve descripción de los conceptos físicos en Neumática, que hay que tener presentes para el diseño y calculo de instalaciones neumáticas
 
1.2.1.- Fundamentos Físicos
La neumática como tecnología es relativamente joven. Está en constante expansión, ya que parte de los nuevos componentes se hacen por encargo: el cliente se presenta con un problema de automatismo neumático y la empresa, después de su estudio da una posible solución al cliente. Esto hace que se incremente el número de dispositivos en neumática. A pesar de esto, los principios físicos son los mismos para todo desarrollo.
Para familiarizarnos con estos principios neumáticos, veremos un breve resumen sobre:
  • Los diferentes conceptos de presión: atmosférica, relativa, absoluta,…
  • Las diferentes leyes y la ecuación general de los gases ideales
  • Las propiedades de la mezcla de gases y los conceptos asociados con el aire comprimido, como la humedad.
 
1) Presión. Conceptos
La presión es el cociente entre la fuerza normal aplicada sobre un cuerpo y la superficie sobre la que incide. De esta forma obtenemos esta fórmula fundamental:
(1.1)
La unidad de presión en el Sistema Internacional es el Pascal (en honor a Blaise Pascal, 1623-1662). En la tabla observamos relaciones entre diferentes unidades de presión.
Tabla 1. 2 - Equivalencia unidades de presión.
Para apreciar más intuitivamente los niveles de presión que representan las unidades se presentan algunos datos sobre las presiones a las cuales están sometidos los fluidos en diferentes instalaciones o depósitos industriales.
Tabla 1. 3 - Diferentes Elementos y presiones típicas.
Debemos conocer los diferentes conceptos relacionados con la presión. El primero de ellos es la presión atmosférica, que es la presión ejercida sobre todos los cuerpos por los gases contenidos alrededor de la Tierra que no escapan al espacio exterior debido a la fuerza de la gravedad terrestre y forman una envoltura relativamente delgada alrededor de esta. Torricelli, con su famoso experimento, determinó que, a nivel del mar, la atmósfera ejerce la misma presión que una columna de Mercurio de 760mm de altura.
Para poder tener valores de presión definidos, a pesar de las variaciones climatológicas, la norma DIN ha definido un valor de presión de referencia. La presión atmosférica normal a nivel de mar comprende 1013 mbar (equivalente a 760 mmHg). La atmósfera estándar se define por la Organización Internacional de Aviación Civil: La presión y temperatura al nivel del mar es 1013.25 milibares absoluta y 288 K (15º C).
También tenemos la presión absoluta, que es la que soporta un sistema respecto al cero absoluto. Decimos que existe sobrepresión si la presión absoluta es superior a la atmosférica, y depresión si esta es menor. La sobrepresión y la depresión son la presión relativa. Hay que tener en cuenta, que tanto la presión absoluta (Pabs) como la presión relativa (Prel) están en función de la presión atmosférica (Patm).
(1.2)
Por otra parte, las principales presiones de referencia que encontraremos en un sistema neumático son:
Presión máxima admisible (PMA): Es el mayor valor de presión efectiva a la que puede ser sometido un elemento de la instalación. Se mide normalmente en bar o Pa.
Presión de entrada (PE) y de salida (PS): Es la presión del aire comprimido a la entrada o salida de un componente neumático. Se miden normalmente en bar.
Estas se miden en bares relativos a la presión atmosférica. El cero del manómetro es la presión atmosférica (que varía con las condiciones climatológicas), por eso para los cálculos se utiliza la presión absoluta.
Fig. 1. 8 - Diferentes presiones y rangos industriales típicos.
 
2) Principios físicos y Leyes de los gases
Las condiciones de un gas se definen mediante tres variables de estado, que son: Presión absoluta (P), volumen específico (v, o densidad, ?) y temperatura absoluta (T). Cuando se conocen dos de ellas, queda determinada la condición del gas, debido a la relación que existe entre ellas. A esta conclusión se llegó a través de la experimentación y las leyes que se enuncian a continuación en la siguiente tabla.
Tabla 1.4. Leyes de los gases
• Ley General de Los Gases
La composición química del aire comprimido, hace que lo podamos tratar como un gas ideal. Si usamos las leyes anteriormente descritas y las combinamos, a través de desarrollos matemáticos, llegaremos a la siguiente fórmula:
(1.8)
La fórmula es la general para los gases ideales. Sustituyendo todas las leyes en una misma fórmula, y teniendo en cuenta que un mol de gas en condiciones estándar ocupa un volumen de 22,4 litros, se puede demostrar que tenemos:
(1.9)
Con P la presión absoluta en atmósferas, V el volumen en litros, n el número de moles, R constante e igual a 0.082 (atm*L)/(K*mol) y T es la Temperatura en Kelvin.
Es importante saber que se definen unos estados de referencia que se usan a la hora de realizar cálculos mediante estas ecuaciones, y son las denominadas condiciones normales o estándar, término definido por la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) que considera una temperatura de 0 °C (273,15 K) y una presión absoluta de 100 kPa (0,986 atm, 14,504 psi). Existen otras condiciones estándar, como la versión del NIST (National Institute of Standards) en la que la temperatura de referencia es de 20 °C (293,15 K) y la presión absoluta de 101,325 kPa (1 atm, 14,696 psi).
1.2.2.- El Aire atmosférico. Composición y propiedades
La atmósfera posee una mezcla indispensable para la vida y su composición, obviando la contaminación existente en cada zona, es (en % en volumen): Nitrógeno (N2, aprox. 78%), Oxigeno (O2, aprox. 21%) y trazas de otros compuestos, como dióxido de Carbono, Argón, Hidrógeno, Neón, Helio, Criptón y Xenón… Como vemos, es una mezcla de gases - alrededor de dieciséis lo conforman – aunque el N2 y el O2 ocupan el 99% de su volumen. El aire pesa 1,2928 gr/L 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 aceptable las leyes para los Gases Ideales. Esta es quizás una de las propiedades más importantes ya que permite 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, que se comporta como un gas más de la mezcla. Para cada presión y temperatura, el aire puede contener una cantidad de agua en forma de vapor. Si se supera esta cantidad, el vapor condensa y precipita; esto será fundamental a la hora de acondicionar y comprimir el aire. Veremos en el apartado siguiente un ejemplo visual muy esclarecedor con respecto a este tema. Para calcular esta cantidad de vapor disponemos de los diagramas psicrométricos.
1.2.3.- El Aire comprimido y sus propiedades
El hecho de comprimir aire es debido a que el aire comprimido constituye en realidad una forma de transporte de energía de muy fácil manejo y por esto su utilización se ha ido imponiendo paulatinamente en la industria.
Las principales propiedades que han contribuido a que el aire comprimido sea tan ampliamente utilizado son:
  • Abundante: Está disponible para su compresión prácticamente en todo el mundo, en cantidades ilimitadas.
  • Transporte: El aire comprimido puede ser fácilmente transportado por tuberías, incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberías de retorno.
  • Almacenable: No es preciso que un compresor permanezca continuamente en servicio. El aire comprimido puede almacenarse en depósitos y tomarse de éstos. Además, se puede transportar en recipientes (botellas).
  • Temperatura: El aire comprimido es insensible a las variaciones de temperatura, garantiza un trabajo seguro incluso a temperaturas extremas.
  • Antideflagrante: No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por lo tanto, no es necesario disponer instalaciones contra incendio, que son muy caras.
  • Limpio: El aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidad en elementos, no produce ningún ensuciamiento Esto es muy importante por ejemplo, en las industrias alimenticias, de la madera, textiles y del cuero.
  • No recuperación: no requiere instalaciones especiales para la recuperación del fluido de trabajo (aire).
  • Constitución simple de los elementos: que implica precios económicos.
  • Velocidad: Permite obtener velocidades de trabajo muy elevadas. (La velocidad de trabajo de cilindros neumáticos pueden regularse sin escalones.)
  • A prueba de sobrecargas y golpes de ariete: Los elementos de trabajo neumáticos pueden llegar hasta su parada completa sin riesgo de sobrecargas.
    Para delimitar el campo de utilización de la neumática es preciso conocer también las características adversas.
  • Preparación: El aire atmosférico comprimido debe ser preparado, antes de su utilización. Es preciso eliminar impurezas y humedad (al objeto de evitar un desgaste prematuro de los componentes). Desde el punto de vista microscópica, el aire presenta impurezas que, para su uso satisfactorio, deben eliminarse.
  • Compresible: Con aire comprimido no es posible obtener para los émbolos velocidades uniformes y constantes.
  • Fuerza: El aire comprimido es económico sólo hasta cierta fuerza. Condicionado por la presión de servicio normalmente usual de 700 kPa (7 bar), el límite, también en función de la carrera y la velocidad, es de 20.000 a 30.000 N (2000 a 3000 kp). Para masas superiores se debe recurrir a la Hidr áulica.
  • Escape: El escape de aire (descarga a la atmósfera del aire utilizado) produce ruido. Se evitarse razonablemente con materiales insonorizantes y silenciadores. Cabe aclarar que el aire de descarga podría estar contaminado y que por lo tanto no puede recuperarse.
  • Costos: El aire comprimido es una fuente de energía relativamente cara; este elevado costo se compensa en su mayor parte por los elementos de precio económico y el buen rendimiento (cadencias elevadas).
  • 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.
1) Agua en el aire comprimido: Humedad.
Otro de los aspectos importantes, y por el cual comenté antes la existencia de los diagramas de Mollier (psicrométrico), es la humedad en el aire comprimido.
Al comprimir grandes cantidades de aire atmosférico, se produce una cantidad considerable de condensados y el aire del depósito se mantiene saturado (100%HR).
La cantidad de vapor de agua que contiene una muestra de aire atmosférico se mide por la humedad relativa en %HR. Este % es la proporción de la cantidad máxima de agua que puede contener el aire a una temperatura determinada.
Fig. 1. 9 - Humedad relativa y absoluta del aire a 1 atm (extracto diagrama psicrométrico).
La figura siguiente muestra 4 cubos donde cada uno representa 1 m3 de aire a 20ºC y 1 atm. Supongamos que cada uno de estos volúmenes tiene una humedad relativa del 50%, lo que quiere decir que contiene 8,7gr de vapor de agua, la mitad del máximo posible, que es 17,4 gr (lo vemos en la figura anterior).
Fig. 1. 10 - 4 metros cúbicos de aire a 20ºC, 1 atm y 50%HR (8,7gr/m3 HA).
Cuando se comprimen estos 4 metros cúbicos en uno solo habrá 4 veces 8,7 gramos, pero solo dos de estas partes pueden mantenerse como vapor en un metro cúbico a 20ºC. Las otras dos partes condensarán en gotas de agua, quedando así el aire con una humedad relativa del 100%, esto es, 17,4 gr/m3 de humedad absoluta.
Fig. 1. 11 - Compresión de los 4 metros cúbicos.
En definitiva, 4 metros cúbicos a presión atmosférica contenidos en 1 metro cúbico producen una presión de 3 bares de manómetro. 17,4 gr de agua se mantienen como vapor produciendo el 100% de humedad relativa y los otros 17,4 gr condensan en agua líquida. Esto es un proceso continuo, de manera que cuando el manómetro marca 1 bar más, cada vez que se comprime 1 m3 de aire y se añade al metro cúbico contenido, otros 8,7 gramos se comprimen.
 
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