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Diapositivas de Neumática
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Introducción y
Teoría del Aire
Para neumática industrial
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Contenido
Composición del aire.
Presión atmosférica.
Aire comprimido industrial.
Presión.
Unidades de presión.
Presión y fuerza.
Ley general de los gases.
Generación de aire comprimido.
Caudal de aire comprimido.
Introducción.
Agua en el aire comprimido.
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Introducción• ¿Que es Neumática ?
– La técnica que utiliza el aire comprimido como vehiculo para transmitir energía.
• Propiedades del aire comprimido :– Fluidez: ofrece poca resistencia al desplazamiento.
– Compresibilidad: un gas se puede comprimir en un recipiente cerrado aumentando la presión.
– Elasticidad: la presión ejercida en un gas se transmite con igual intensidad en todas las direcciones ocupando todo el volumen que lo engloba.
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Composición del aire
• El aire que respiramos es elástico, comprimible y fluido.
• Damos por hecho que el aire llena todo el espacio que lo contiene.
• El aire se compone básicamente de nitrógeno y de oxígeno.
Composición por Volumen
Nitrógeno 78.09% N2
Oxígeno 20.95% O2
Argón 0.93% Ar
Otros 0.03%
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Presión Atmosférica• La presión atmosférica es
causada por el peso del aire sobre nosotros.
• Esta es menor cuando subimos una montaña y mayor al descender a una mina.
• La presión varía con las condiciones atmosféricas.
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Atmósfera Standard
• Una atmósfera standard se define por la Organización Internacional de Aviación Civil. La presión y temperatura al nivel del mar es 1013.25 mili bar absoluta y 288 K (15OC).
1013.25 m bar
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Atmósfera y vacío
• La potencia de la presión atmosférica es evidente en la industria de manipulación donde se utilizan ventosas y equipos de vacío.
• El vacío se consigue evacuando todo el aire de un sitio determinado.
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Aire comprimido industrial
• Las presiones se dan en bar (relativos a la presión atmosférica).
• El cero del manómetro es la presión atmosférica.
• Para cálculos se utiliza la presión absoluta:Pabs = Pman + Patm
• Se asume para cálculos rápidos que 1 atmósfera equivale a
1 bar.
• En realidad 1 atmósfera equivale a 1.013 bar.
Rango
bajo
Rango
industrial
típico
0
1
2
3
4
5
6
7
8
10
11
12
13
14
15
16
17
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Pre
sió
n a
bsolu
ta(B
ar)
Pre
sió
n m
anom
étr
ica b
ar
Vacío total
Atmósfera
Rango
Industrial
ampliado
9
Presión• 1 bar = 100.000 N/m2
(Newtons por metro cuadrado).
• 1 bar = 10 N/cm2
1,000 mbar = 1 bar
El sistema Inglés
utiliza los pies por
pulgada cuadrada
(psi)
1 psi = 68.95mbar
14.5 psi = 1bar
10
Unidades de presión• Existen diversas unidades de medida de presión. Se muestran
algunas de ellas y sus equivalencias:
• 1 bar = 100.000 N/m2
• 1 bar = 100 kPa
• 1 bar = 14.50 psi
• 1 bar = 10.197 kgf/m2
• 1 mm Hg = 1,334 mbar aprox.
• 1 mm H2O = 0,0979 mbar aprox.
• 1 Torr = 1mmHg abs (para vacío)
Presión y fuerza
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Presión y fuerza• El aire comprimido ejerce una
fuerza de igual valor en todas las direcciones de la superficie del recipiente que lo contiene.
• El líquido en un recipiente será presurizado y transmitido con igual fuerza.
• Por cada bar de manómetro, se ejercen 10 Newtons uniformemente sobre cada centímetro cuadrado.
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Presión y fuerza• La fuerza que se desarrolla
sobre un pistón debida a la presión del aire comprimido es el área efectiva multiplicada por la presión:
Fuerza =D2
4
PKg
p
D cm
P Kg/cm2
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Presión y fuerza• Si ambas conexiones de un
cilindro de doble efecto se conectan a la misma presión el cilindro se moverá debido el diferencial de presión que hay en ambas cámaras.
• Si el cilindro es de doble vástago el cilindro no se moverá.
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Presión y fuerza• En la corredera de una válvula la presión actuando en cualquier
conexión no hará que la corredera se desplace puesto que las dos áreas sobre las que actúa el aire son iguales.
• P1 y P2 son las presiones de alimentación y escape.
P1 P2
Las leyes de los gases
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Las leyes de los gases• Para cualquier masa de aire dada las propiedades variables son
presión, volumen y temperatura.
• Asumiendo que una de estas variables se mantiene constante se darán los siguientes casos:
• Temperatura Constante
• Presión Constante
• Volumen Constante
P.V = C (una constante)
= C (una constante)V
T
= C (una constante)P
T
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La Ley general de los Gases
= = CP1 .V1
T1
P2 .V2
T2
Nota : por lo general trabajaremos a temperatura constante.
Generación del aire comprimido
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Central Generación Aire Comprimido
Compresor y refrigerador
Presión manómetro
Válvula seguridad
Purga condesados
Válvula de purga
Depósito acumulador
Tubería
distribución
SWP
10barVálvula de corte
M
Agua en el Aire Comprimido
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Agua en el aire comprimido• Cuando se comprimen grandes
cantidades de aire se produce una cantidad considerable de condensados.
• El vapor de agua natural que contiene el aire atmosférico licua como en una esponja.
• El aire en el interior del recipiente continuará saturado (100% HR).
purga
aire
totalmente
saturado
Condensado
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Agua en el aire comprimido• La cantidad de vapor de agua que contiene una muestra de aire
atmosférico se mide por la humedad relativa en % HR. Esteporcentaje es la proporción de la cantidad máxima de agua quepuede contener el aire a una temperatura determinada.
-40
-20
0 10 20 30 40 50
0
20
40
Gramos vapor agua / metro cúbico aire g/m3
60 70 80
Te
mp
era
tura
Ce
lsiu
s
25% RH 50% RH 100% RH
A 20o Celsius
100% HR = 17.4 g/m3
50% HR = 8.7 g/m3
25% HR = 4.35 g/m3
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Agua en el aire comprimido• La ilustración muestra cuatro cubos donde cada uno representa 1
metro cúbico de aire atmosférico 20º C. Cada uno de estos volúmenes tiene una humedad relativa del 50% HR. Esto quiere decir que contiene 8.7 gramos de vapor de agua, la mitad del máximo posible que es 17.4 gramos.
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Agua en el aire comprimido• Cuando el compresor comprime estos cuatro metros cúbicos en uno
solo luego habrá 4 veces 8.7 gramos, pero tan solo dos de estas partes se pueden mantener como vapor en un metro cúbico de volumen. Las otras dos partes condensaran en gotas de agua.
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Agua en el aire comprimido• Cuando el compresor comprime estos cuatro metros cúbicos en uno
solo luego habrá 4 veces 8.7 gramos, pero tan solo dos de estas partes se pueden mantener como vapor en un metro cúbico de volumen. Las otras dos partes condensaran en gotas de agua.
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Agua en el aire comprimido• Cuando el compresor comprime estos cuatro metros cúbicos en uno
solo luego habrá 4 veces 8.7 gramos, pero tan solo dos de estas partes se pueden mantener como vapor en un metro cúbico de volumen. Las otras dos partes condensaran en gotas de agua.
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Agua en el aire comprimido• Cuando el compresor comprime estos cuatro metros cúbicos en uno
solo luego habrá 4 veces 8.7 gramos, pero tan solo dos de estas partes se pueden mantener como vapor en un metro cúbico de volumen. Las otras dos partes condensaran en gotas de agua.
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Agua en el aire comprimido• 4 metros cúbicos a presión atmosférica
contenidos en 1 metro cúbico producen una presión de 3 bares de manómetro.
• 17.4 gramos de agua se mantienen como vapor produciendo el 100% HR y los otros 17.4 gramos condensan en agua líquida.
• Esto es un proceso continuo, de manera que cuando el manómetro marca 1 bar, cada vez que se comprime un metro cúbico de aire y se añade al metro cúbico contenido, otros 8.7 gramos se comprimen.
Caudal de aire comprimido
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Unidades de caudal• El caudal se mide como
volumen de aire libre por unidades de tiempo.
• Las unidades usuales : – Litros o decímetros cúbicos
por segundo lN/s o dm3/s– Metros cúbicos por minuto
m3/min– Pies cúbicos estándar por
minuto scfm
• 1 m 3/m = 35.31 scfm
• 1 dm 3/s = 2.1 scfm
• 1 scfm = 0.472 l/s
• 1 scfm = 0.0283 m3/min1 metro cúbico
o 1000 dm3
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Caudal aire LibreVolumen real de 1 litro
de aire libre a presión• El espacio entre las barras
representa el volumen real que ocupa un litro de aire libre a su respectiva presión.
• El caudal es el resultado de la presión diferencial, a un bar absoluto (0 de manómetro) solo habría caudal en vacío.
• Si la velocidad fuese la misma en cada caso el caudal seria el doble que en el caso anterior (La densidad del aire es el doble que en el caso anterior).
0
1/8
1/16
1/4
1/2
1 litro
1bar
2bar
4bar
8bar
16bar
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Caudal sónico• La velocidad límite a la cual puede
circular el aire es la velocidad del sonido
• Para alcanzar el caudal sónico, se ha de tener una P1, aprox. 2 veces P2 o mas.
• Cuando se vacía un recipiente de aire a alta presión a la atmósfera el caudal se mantendrá constante (a la velocidad del sonido) hasta que P1
sea menor que 2 P2.
• Cuando se carga un recipiente elcaudal se mantiene constante hasta que P2 es 1/2 P1.
P1 bar
absoluta
time
P1(inicial)=9 bar
2P2
0 5 10 2001
234
5
6
15
7
8
9
atm
0 5 10 2001
234
5
6
15
7
8
9
P2 bar
absoluta
P1(Inicial)=1 bar
P2=1/2P1
atm
Descarga de un recipiente ala atmósfera
time
Carga de un recipiente
P2(Final)=9 bar
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