CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN A LA NEUMÁTICA
1.4.- APLICACIONES DE LA NEUMÁTICA
1.4.1.- Campos de aplicación
La neumática está presente en cualquier proceso industrial, tanto manual como semiautomático, que requiera incrementar la producción. La automatización de los diferentes procesos industriales, releva al hombre de ciertas actividades, lo que ocasiona posibles pérdidas de puestos de trabajo en las empresas. Por esto, la sociedad industrial tiene ante sí un reto importante en crear nuevos puestos de trabajo, con mayor especialización del personal. Resulta paradójico que en los países más industrializados a nivel mundial las nuevas tecnologías han creado más puestos de trabajo que en el resto.
La progresiva sustitución de la energía humana por la neumática, hidráulica o eléctrica responde sobre todo al intento de minimizar costes de producción y automatizar los procesos industriales. De este modo, la neumática se ha convertido en un elemento imprescindible en la automatización de la producción en todos los sectores industriales:

- Industria del automóvil, aeronáutica, ferroviaria, naval, aeroespacial, maderera,…
- Industria textil, del calzado, agroalimentaria, cárnica…
- Producción de energía
- Refinerías e industrias petrolíferas y químicas, siderurgia, minería,…
- Industrias de logística, máquinas de embalaje, imprentas y artes gráficas
- Construcción y obras públicas
- Robótica, etc.

 
1.4.2.- Aplicaciones Específicas
A continuación expondré diferentes aplicaciones específicas de la tecnología neumática, para que pueda comprenderse el alcance que ésta tiene en la industrial y la sociedad actual. Primero se explicará una de las aplicaciones más importantes, la generación de vacío, y posteriormente se verán diferentes máquinas y elementos neumáticos de uso común en la industrial y otras aplicaciones más especiales. Las referencias están disponibles al final de este trabajo.
1) Elementos neumáticos industriales
En la siguiente tabla se presentan algunos elementos neumáticos y aplicaciones comunes (aparte obviamente de los compresores y actuadores neumáticos)

- Todo tipo de automatismos en máquinas herramientas de cualquier índole.
- Elevadores, rampas, compuertas neumáticas, manipuladores neumáticos.
- Martillos, destornilladores, taladradoras, lijadoras, remachadoras,…
- Armas de aire comprimido
- Interruptores neumáticos
- Sistemas de correo neumáticos
- Frenos de aire comprimido, en trenes, autobuses y camiones
- Tornos de dentista
- Barostatos, para mantener presión constante en cavidades cerradas (usado en neurogastroenterología)
- Máquinas de inserción de cables en tubos de gran longitud
- …

Fig. 1. 30 - Diversas aplicaciones específicas de la tecnología neumática [18].
Correo neumático en un edificio (arriba a la izquierda), baróstato (abajo a la izquierda) y
máquinas de inserción de cables (derecha)
2) Tecnología de vacío
El vacío es una condición de los gases cuando están a una presión menor que la atmosférica. En la tecnología del vacío, la presión atmosférica normal se considera igual a 1,013 bar. El diagrama siguiente muestra las diferentes escalas de vacío, junto con dos parámetros carac-terísticos (para aire a +20°C): el número de moléculas por centímetro cúbico y la distancia libre media de las moléculas (el valor medio de las distancias que una partícula recorrería entre dos impactos consecutivos con otras moléculas).
Fig. 1. 31 - Rangos de vacío industriales.
La tecnología del vacío tiene una amplia aplicación en los campos industrial, científico y militar. Las aplicaciones más características comprenden la evapora¬ción, destilación, cristalización, secado, desodorización y enra¬recimiento. El vacío se aplica especialmente para eliminación de gas o condensado de un producto que por determinadas circunstancias no pueda ser sometido a temperaturas elevadas. El uso del vacío, con frecuencia, aumenta rendimien¬tos y reduce tiempos de un proceso.
3) Aplicaciones especiales
Veamos a continuación algunas de las aplicaciones más específicas y especiales de la tecnología neumática.
• Barreras neumáticas marinas
El equipo consiste en una línea con perforaciones por donde se dejan escapar burbujas de aire bajo el agua, éstas suben hasta la superficie y se expanden. Durante su desplazamiento generan una corriente ascendente de agua, la misma que al llegar a la superficie se transforma en corrientes superficiales que se alejan del punto de afloramiento y pueden servir para contener una mancha de petróleo.
Una ventaja de este equipo de contención es que no interfiere con el paso de cualquier tipo de embarcación. Las desventajas principales son dos: a) la barrera sólo resulta efectiva en aguas tranquilas y con condiciones ambientales estables ya que el oleaje y las corrientes anularían su efecto, b) la corriente natural del agua pueden producir efectos en el desplazamiento de las burbujas hacia la superficie y si es mayor de 30°, el efecto de la cortina se rompe (con corrientes de 0.75 m/seg es suficiente) permitiendo el paso de gotas de petróleo.
Una instalación típica consta de una tubería sumergida en el fondo de 30 a 100 metros de longitud, con caudales de 0,2 a 1,3 m3/min, agujeros cada 30 cm (diámetros entre 0.5~0.7 mm) dependientes, como la presión de aire, de la profundidad del agua (agujeros más pequeños son utilizados para mayor profundidad).
Fig. 1. 32 - Método de la burbuja de aire para contención de hidrocarburos [19].
Este método se utiliza, además de para la contención de hidrocarburos, para evitar la entrada de aguas saladas, como rompeolas, contra explosiones subacuáticas como amortiguador,…
• Locomotora de aire comprimido
Como ejemplo, tenemos la locomotora de la empresa minera Homestake Mining (Dakota del Sur, USA), que funcionaba con aire comprimido y se usaba para la extracción de material en las minas.
Fig. 1. 33 - Locomotora de aire comprimido [20].
• Arranque de motores de avión
Cuando la turbina está parada, para crear el primer flujo de aire que alimenta al reactor se tiene la llamada APU (Auxiliar Power Unit), que no es más que un motor convencional situado generalmente en la cola del avión, y que tiene dos funciones: proporciona energía eléctrica y climatización al avión cuando está parado, y puede mover el eje primario del turbofan del reactor por medio de ciertos mecanismos con el objetivo de generar ese primer flujo de aire a través del reactor.
• Coches de aire comprimido
Un vehículo de aire comprimido es un vehículo de transporte que funciona a base de aire comprimido. En 2007, estos vehículos seguían en la etapa de diseño y de prototipo. Podrían llegar a ser parte del transporte y ocio urbano y sus aplicaciones podrían incluir ciclo-taxis, servicios postales y transporte en parajes turísticos.
Los vehículos de aire comprimido son comparables en muchos aspectos a los vehículos eléctricos. Sus ventajas potenciales sobre vehículos eléctricos incluyen:

- Movimiento cíclico lento (10~60 ciclos/min) y alta relación par/volumen.
- El diseño mecánico secuencial del motor simple y robusto
- El motor no sufre por corrosión de las baterías en climas húmedos o cálidos
- Tiene bajo costo de fabricación y mantenimiento
- Reciclado y recarga de depósitos de aire comprimido con menos contaminación y más ciclos de vida que las baterías

Las desventajas son poco conocidas por que los vehículos son prototipos o están en etapa de diseño.
Compañías

Actualmente son tres las compañías que aparecen en este sector con fuerza y capacidad para entrar en el mercado: MDI, Energine y la emergente Yakey Corp., que basan el desarrollo de sus proyectos neumáticos en vehículos pequeños, reduciendo el peso en vacío al máximo.
          MDI
Esta compañía (Moteur Development International) propone varias innovaciones, aunque los proyectos ha permanecido en la etapa de diseño cerca de quince años (en fecha 2007) y no está todavía listo para la comercialización.
El Air Car es un prototipo de automóvil desarrollado y producido por dicha compañía, creado por el inventor francés Guy Nègre. El aire comprimido se almacena en un tanque de fibra de carbono a alta presión, del orden de 30 MPa (4500 psi o 300 bar).
Otra división de MDI, CityCATS, está desarrollando algunos modelos: un camión, un mono-plaza, un taxi y un pickup con un motor limitado a 25 CV. Se estima una autonomía para ellos de 160 a 240 Km en ciclo urbano y una velocidad máxima de 110 Km/h. El depósito puede ser rellenado en un tiempo de 4,5 a 6 horas, con su propio sistema contenido (motor compresor/ unidad compresor) partiendo de un compresor de alta presión. El peso aproximado de estos vehículos es de 900 Kg [21].
         Energine
Los ingenieros de esta compañía han creado, partiendo de un Daewoo Matiz, un prototipo de motor híbrido eléctrico/aire comprimido (PHEV, Pneumatic Hybrid Electric Vehicle). El motor de aire comprimido se utiliza para activar un alternador, el cual extiende la capacidad de operación autónoma del coche [22].
         Yakey Corp.
Esta empresa emergente es la primera en presentar a nivel mundial un vehículo híbrido que funciona con motor de combustión y con motor de aire comprimido que se auto-recarga, supera las limitaciones urbanas de pendientes y largas distancias, con la ventaja de que el consumidor final podrá decidir si el mismo es 60% o 100% ecológico.
La versión 100% ecológica cuenta con un motor inventado y patentado por su director de proyectos, cuya característica principal es la simplicidad mecánica en la expansión de la energía acumulada, convirtiendo el movimiento lineal en movimiento rotativo sin el uso de resortes ni pistones. Hasta hace poco, existían en el mundo dos motores aparentemente eficientes pero muy rudimentarios: uno de MDI, poco sofisticado y otro desarrollado en Uruguay, basado en sistemas de cadena, resorte y eje libre.
Este tercer motor de aire comprimido totalmente funcional existente, fue creado por William Mercay, fundador de Yakey Corp. bautizado como "Motor de desplazamiento inverso MercayPulzar", Mercay logra transformar el movimiento lineal de cilindros convencionales en movimiento continuo rotatorio, sin cadenas, resortes, discos, balancines ni cigüeñales; se puede adaptar a vehículos pequeños o de grandes dimensiones. Es un motor robusto, con una mecánica ingeniosa pero sencilla, de alta durabilidad, poco mantenimiento, resistencia a fricción y facilidad total a la hora de cambiar repuestos.
Yakey Corp. será en la primera fábrica de vehículos de aire comprimido en serie, ya que el resto no ha logrado hasta ahora desarrollo suficiente para comercializar en masa.
El coche en cuestión es el Salamandra Lexion, un vehículo de uso urbano que se ofrecerá en versión híbrida aire/gasolina o sólo con el motor de aire.

Fig. 1. 34 - Prototipo del coche neumático Salamandra Lexion, de la Yakey Corp [20].
Aunque el proyecto está todavía en la etapa de desarrollo, el Salamadra Lexion se presentó el 1 de marzo de 2009 y será comercializado a un precio realmente accesible de 5.000 a 7.000 euros, dependiendo de la versión. La velocidad punta será de unos 140 km/h [23].
4) Fluídica y lógica neumática
La Fluídica o lógica de fluidos es la tecnología que utiliza fluidos para generar y actuar con señales analógicas u operar con señales digitales de manera similar a la electrónica.
Esta ha sido utilizada a menudo en procesos industriales, basándose en lógica primaria: unidades SI, NO, O, temporizadores, enclavamientos,… aunque en las últimas décadas ha sido reemplazada por la lógica de los sistemas de control eléctricos y, posteriormente, los sistemas electrónicos, debido al menor tamaño y más bajo coste. Las unidades neumáticas son todavía usadas en procesos donde el aire comprimido es la única fuente de energía (como en sistemas expuestos a alta interferencia electromagnética o radiación ionizante). Aún así, la tecnología electrónica es la base actual y futura para el control.
Un chorro de fluido puede ser deflectado por medio de otros mucho más pequeños, que los modifican, si existe un diseño adecuado de las conducciones. Esto proporciona una amplificación de señales no lineal, similar a la de los transistores electrónicos.
La nanotecnología considera la Fluídica como uno de sus instrumentos. En su campo, los efectos de fuerzas fluido-sólido y fluido-fluido son a menudo importantes, y de ahí su posibilidad de aplicación.
El concepto de funcionamiento de un amplificador fluídico es el siguiente: Una fuente fluida (aire generalmente) entra por un orificio. La presión aplicada en los orificios C1 y C2 deflecta el chorro, generando un ciclón para que este salga por O1 u O2. Debido a que la presión necesaria en los terminales C para la deflexión es mucho menor que la generada por el chorro, obtenemos una ganancia, con lo que tenemos un amplificador.
Fig. 1. 35 - Amplificador fluídico (Patente USA #4.000.757) [24].
A partir de esta unidad básica, se pueden construir los equivalentes electrónicos a biestables y circuitos basculantes, así como circuitos de lógica digital simples. Por otra parte, la respuesta de este tipo de amplificadores suele ser de un ancho de banda de pocos Kilohertzios, con lo que estos sistemas son bastante lentos comparados con los electrónicos.
5) Sistemas oleoneumáticos
La desventaja siempre aducida en la Neumática es la compresibilidad del aire, que repercute en mayor o menor grado sólo en los avances lentos. Si en un avance neumático puro el aire es estrangulado con demasiada intensidad a causa de un avance particularmente lento, el émbolo se mueva a sacudidas en el cilindro porque siempre debe establecerse la presión para el movimiento del émbolo. En cuanto el rozamiento de los elementos obturadores elásticos es mayor qué la fuerza del émbolo, el cilindro se para hasta que la presión se establece de nuevo. El "tirón" del émbolo puede medir menos de un milímetro o varios centímetros. Así no puede conservarse una velocidad de avance constante desde el principio hasta el final de la carrera. Esto puede corregirse con ayuda de la Hidráulica, que complementa a la Neumática, distinguiéndose tres sistemas distintos: convertidor oleoneumático, cilindro de freno de aceite y transformador de presión (un convertidor con cambios de sección, ver figura siguiente).
Fig. 1. 36 - Multiplicador de presión.
La ventaja del uso de equipos combinados neumático-hidráulicos, como el convertidor o el multiplicador de presión radican en que el aceite es poco compresible (prácticamente nada) por lo que es apto para avances lentos y regulaciones de velocidad constante. Sus aplicaciones principales tienen lugar en la industria aeronáutica, siendo los principales componentes donde se usa las superficies de control de las aeronaves: trenes de aterrizaje, flaps, slats y aerofrenos (Control de la sustentación aerodinámica), alerones, timón de cola y de profundidad (Control del alabeo, la guiñada y el cabeceo respectivamente),…
 
1.4.3.- Comparación con la Hidráulica y la Electricidad
Las dos tecnologías disponibles que pueden realizar las mismas funciones que la neumática son la hidráulica y la eléctrica. Cada una posee unos pros y unos contras dependiendo de la aplicación que se quiera hacer de ellas. A modo de breve resumen, vemos en la tabla ventajas e inconvenientes de cada una de ellas, tanto en la parte de control como en la de actuación.
Tabla 1. 5 - Ventajas e inconvenientes de las diferentes tecnologías en automatización.
En cuanto al rango de aplicación para las presiones, destacar que la neumática suele usar presiones promedio de 6~7 bares (90~100 PSI), y la hidráulica alrededor de 70 a 350 bares (1000~5000 PSI), incluso algunas aplicaciones pueden llegar a los 700 bares.
 
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