Neumática

Neumática y oleohidráulica

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La automatización de los procesos industriales ha sido uno de los avances o logros más importantes en el desarrollo industrial, gran parte de estas automatizaciones se han logrado gracias al empleo de máquinas, que realizan su trabajo o son controladas, a partir de la energía que transmite un fluido, aire en algunos casos y aceite en otros.

El tratamiento de esos fluidos, su almacenaje, control, distribución y uso, es lo que conocemos por neumática en el caso de que el fluido sea aire, o por aleohidráulica en el caso del aceite.

Fundamentos físicos

Presión: se define como la relación entre la fuerza ejercida entre la superficie sobre la que se ejerce. Se mide en Pascales (1Pa=1N/m2). Aunque otras unidades muy usadas son el Bar, la Atmosfera y los Kg/Cm2. Ver tabla equivalencias.

UNIDADES	Pascal	bar	kg/cm²	atm	Torr
1 Pa (N/m²)	1	10-5	0,102×10-4	0,987×10-5	0,0075
1 bar (10N/cm²)	105	1	1,02	0,987	750
1 kg/cm²	9,81x104	0,981	1	0,968	736
1 atm (760 Torr)	101325	1,01325	1,033	1	760
1 Torr (mmHg)	133,32	0,0013332	1,36x10-3	1,32x10-3	1

Aunque se cometan errores suele ser frecuente redondear las unidades de la siguiente forma:

10⁵ Pa = 1 atm = 1 bar = 1 Kg/Cm² = 760 Torr (mmHg)

Los errores, en la mayoría de los casos son asumibles y se facilita la conversión.

Presión = Fuerza /superficie  (p=F/s) (Pa=N/m²)

La presión atmosférica es el peso de la columna de aire comprendido entre una superficie y el límite de la atmósfera. Esto significa que varía con la altura, además de las condiciones meteorológicas. Se suele tomar como normal 1013 mbar (1 bar) a nivel de mar. La presión atmosférica también se llama barométrica y la miden los barómetros.

El valor resultante de dividir toda la fuerza ejercida sobre una superficie por dicha superficie, se denomina presión absoluta. En neumática industrial se trabaja con presión relativa, es decir, la diferencia entre la presión absoluta y atmosférica, pues todos los cuerpos están sometidos a la presión atmosférica. También se llama manométrica, y se mide con el manómetro.

P relativa = P absoluta – P atmosférica

Símbolo del manómetro

Volumen: es la capacidad de almacenamiento, o contenido de un recipiente, y en el Sistema Internacional se mide en metros cúbicos (m³), que es el contenido de un cubo que tenga un metro de arista. Esta medida es muy grande para las técnicas neumáticas e hidráulica, por lo que es más corriente usar el litro. (l) o el centímetro cúbico. Se simboliza con la letra V (mayúscula)

10⁶ cm³ = 1000 litros = 1 m³ ; 1000 cm³ = 1 litro.

Caudal: es la cantidad de fluido que atraviesa la unidad de superficie en la unidad de tiempo. En metros cúbicos por segundo. Otra unidad frecuente son litros/minuto o segundo (lt/s ; lt/min)

Caudal = Volumen / tiempo (Q=V/t) (m3/s)

 

El caudal que pasa por un conducto se puede calcular a partir de la sección y la velocidad de paso del fluido:

El volumen de fluido que ha pasado a través de una sección en un tiempo Δt es:

V = S · Δx

Al dividir los dos miembros de la expresión entre el tiempo tenemos:

V / t = S · Δx / t

es decir:   Q = S · v

Potencia: es la presión a la que se encuentra el fluido multiplicada por el caudal. En vatios.

Trabajo = presión x volumen ; 

potencia = trabajo / tiempo = presión x (volumen/tiempo)

Por lo tanto:

Potencia = presión x Caudal (P=p·Q) (W)

La ley de los gases perfectos relaciona tres magnitudes, presión (P), volumen (V) y temperatura (T), mediante la siguiente fórmula:

p·V=n·R·T

Donde : P = presión (N/m2). V = volumen (m3) . n = número de moles del gas R = constante (R = 8,314472 J/mol·ºk). T = temperatura (ºk)

De esta ley emanan las leyes de Boyle y Mariotte (temperatura constante)

p·V = cte.
 

y de Gay-Lussac (presión constante)

V/T = cte.

Fluidos hidráulicos

El Principio de Pascal, que dice así: "cuando se aplica presión a un fluido encerrado en un recipiente, esta presión se transmite instantáneamente y por igual en todas direcciones del fluido". Establece el principio básico para comprender los circuitos neumáticos.

En este principio se basa el funcionamiento de un elevador hidráulico o gato hidráulico. Si S₁ es mucho menor que S₂, F₂ es mucho mayor que F1, que es la que hacemos.

P = F₁/S₁ y P = F₂/S₂

Por lo que podemos poner F₁/S₁ = F₂/S₂

otra forma de expresarlo es: F₁·S₂ = F₂ · S₁

Propiedades de los fluidos: ventajas e inconvenientes

Aire comprimido

Entre las principales ventajas del aire comprimido destacan:

• Es muy abundante, el aire para su compresión está en cantidades ilimitadas.
• Se transporta fácilmente por tuberías sin necesitar retorno, puesto que una vez utilizado, puede soltarse al ambiente.
• Es fácilmente almacenable, se puede almacenar en depósitos y botellas y tomarse de éstos.
• No tiene riesgo de explosión ni incendio, por lo que sus instalaciones son más baratas.
• Es limpio y no contaminante, en caso fuga  no produce suciedad. Esto es importante por ejemplo para las industrias alimentarias, químicas, textiles, etc.
• Fácil montaje y mantenimiento, sin apenas averías.
• Su desplazamiento es rápido, permitiendo velocidades de trabajo elevadas.

Entre las principales limitaciones destacan:

• Preparación: el aire debe ser preparado antes de su utilización, limpiando las impurezas y humedad. La eliminación de la humedad es esencial, puesto que su presencia en el circuito daña gravemente a los elementos el mismo.
• No responde bien a pequeños desplazamientos debido a que el aire se comprime (es compresible). No apto para máquinas de precisión
• Poca fuerza a la presión normal de trabajo (7 bar), el límite de la fuerza está entre 20 y 30 KN. No apto para grandes esfuerzos (prensas, elevadores, etc)
• El escape del aire produce ruido, necesitándose elementos insonorizantes (silenciadores), que incrementan el coste de la instalación.
• El compresor consume mucha energía, por eso se hace muy costosa la generación de aire comprimido

Fluidos oleohidráulicos (aceites)


Las ventajas de la hidráulica son:

• Permite trabajar con elevados niveles de fuerza y con control en la posición o precisión, gracias a la incopresibilidad del fluido.
• El aceite empleado en el sistema es fácilmente recuperable.
• La velocidad de actuación es fácilmente controlable, incluso se puede detener el avance.
• Pueden realizarse cambios de sentido de giro, ya que el fluido puede circular en ambos sentidos.

Desventajas de la oleohidráulica son:

• Se producen perdidas de carga (perdidas de presión por rozamiento en las tuberías).
• El fluido es altamente contaminante.
• Requiere tuberías de retorno y recuperación del fluido
• Tanto el fluido como las instalaciones son caras

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