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NEUMÁTICA E HIDRÁULICA INDUSTRIAL UNIVERSIDAD DE LOS ANGELES
Neumática
Industrial y
Sistemas hidráulicos
ING. GILBERTO OLAN CAMPOS
INSTRUCTOR
EDEN CANO RODRIGUEZ
5TO CUATRIMESTRE DOMINGOS
NEUMÁTICA E HIDRÁULICA INDUSTRIAL UNIVERSIDAD DE LOS ANGELES
NEUMÁTICA E HIDRÁULICA INDUSTRIAL UNIVERSIDAD DE LOS ANGELES
Contenido
Los sistemas Hidráulicos
Concepto de sistema hidráulico
Diferencias entre energía eléctrica, neumática e hidráulica
Fundamentos físicos de la hidráulica
Leyes básicas de la hidráulica
Generación de energía hidráulica
Motores eléctricos
Bombas
Construcción
- Funcionamiento
Acumuladores
Manómetro
Depósitos
Tuberías
Estructura de circuitos hidráulicos
Los circuitos eléctricos
Formación de presión hidráulica
- Los fluidos
- Conductos de retorno
- Medidores
Desarrollo de circuitos
- El análisis del problema
- Plano de situación
- Ecuación de movimiento
Válvulas hidráulicas de vías o distribuidoras
Válvulas de vías 2/2
Válvulas de vías 4/2
Válvulas de vías 5/2
Válvulas auxiliares
- Regulación de caudal
- Regulación de presión
- Anti retorno
Actuadores hidráulicos
Actuadores con desplazamiento lineal
Motores hidráulicos
Cilindro hidráulico
Estructuras
NEUMÁTICA E HIDRÁULICA INDUSTRIAL UNIVERSIDAD DE LOS ANGELES
Introducción
La hidráulica resuelve problemas como el flujo de fluidos por conductos o canales abiertos
y el diseño de presas de embalse, bomba y turbinas. Su fundamento es el principio
de Pascal, que establece que la presión aplicada en un punto de un fluido se transmite
con la misma intensidad a cada punto del mismo.
El filósofo y científico Blaise Pascal formuló en 1647 el principio que lleva su
nombre, con aplicaciones muy importantes en hidráulica.
Aunque cada ciencia de la Tierra tiene su enfoque particular, todas suelen
superponerse con la geología. De esta forma, el estudio del agua de la Tierra en
relación con los procesos geológicos requiere conocimientos de hidrología y de
oceanografía, mientras que la medición de la superficie terrestre utiliza
la cartografía (mapas) y la geodesia (topografía).
La ventaja que implica la utilización de la energía hidráulica es la posibilidad de
transmitir grandes fuerzas, empleando para ello pequeños elementos y la facilidad
de poder realizar maniobras de mandos y reglaje. A pesar de estas ventajas hay
también ciertos inconvenientes debido al fluido empleado como medio para la
transmisión. Esto debido a las grandes presiones que se manejan en el sistema
las cuales posibilitan el peligro de accidentes, por esto es preciso cuidar que los
empalmes se encuentren perfectamente apretados y estancos.
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Los sistemas Hidráulicos
SISTEMA HIDRÁULICO
La hidráulica es la ciencia que forma parte la física y comprende la transmisión y
regulación de fuerzas y movimientos por medio de los líquidos. Cuando se
escuche la palabra “hidráulica” hay que remarcar el concepto de que es la
transformación de la energía, ya sea de mecánica o eléctrica en hidráulica para
obtener un beneficio en términos de energía mecánica al finalizar el proceso.
Un sistema hidráulico es un mecanismo operado por la resistencia que ofrece la
transmisión o la presión cuando el líquido es forzado a través de una pequeña
abertura o tubo.
Puede verse como una red interdependiente, cuidadosamente equilibrada. La idea
básica detrás de cualquier sistema es muy simple, la fuerza que se aplica en un
momento dado en un punto se transmite a otro punto en forma de fluido. El líquido
que se usa es casi siempre un aceite de algún tipo (fluido hidráulico).
La fuerza se multiplica casi siempre en el proceso. Un ejemplo de un sistema
hidráulico simple, es colocar dos pistones conectados por la parte inferior con una
tubería llena de aceite, que puede ser de cualquier tamaño y forma. Si se aplica
una fuerza hacia abajo a un pistón, entonces la fuerza se transmite al segundo
pistón a través del aceite en la tubería. Lo sorprendente es que la fuerza aplicada
que aparece en el segundo pistón es casi la totalidad de la fuerza aplicada en el
primer pistón.
Lo que hace importante a los sistemas hidráulicos es la
facilidad de poder controlar el aumento y disminución
de la fuerza aplicada; Esto se consigue cambiando el
tamaño de un pistón y el cilindro con respecto a la otra,
en los sistemas mecánicos.
En los sistemas hidráulicos hay que evitar las burbujas de aire. Si hay una burbuja
de aire en el sistema, entonces la fuerza aplicada del primer pistón se enfoca en la
compresión del aire en lugar de pasar el segundo pistón.
Los sistemas hidráulicos realizan un papel importante en el funcionamiento eficaz
de una máquina. Los sistemas hidráulicos actuales son más sofisticados,
utilizando tecnología avanzada, para que proporcionen la máxima productividad, al
menor costo posible.
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DIFERENCIA ENTRE ENERGÍA ELÉCTRICA, NEUMÁTICA
E HIDRÁULICA
La Neumática e Hidráulica son tecnologías muy semejantes; ambas aplican los conocimientos científicos sobre fluidos en el diseño de circuitos presentes en todos los ámbitos industriales, sobre todo en los procesos de automatización y
control. En todo sistema neumático o hidráulico, se distinguen cuatro elementos:
1º Elementos generadores de energía: Compresor en Neumática y Bomba en
Hidráulica. 2º Elementos de tratamiento de los fluidos: Filtros y reguladores de presión.
3º Elementos de mando y control: Tuberías y válvulas
4º Elementos actuadores: Cilindros y motores
La diferencia más relevante viene marcada por el tipo de fluido; la
Neumática utiliza aire comprimido (muy compresible) y la Hidráulica generalmente
emplea aceites (prácticamente incompresibles). Por esta razón, los circuitos
neumáticos son abiertos (escapes al ambiente), mientras que los hidráulicos son
cerrados (escapes a un tanque). Además hay otras diferencias:
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FUNDAMENTOS FISICOS DE LA HIDRAULICA
La mayoría de los circuitos hidráulicos funcionan con aceite
como fluido. La función que tiene la máquina hidráulica es la
de aumentar o disminuir la presión del pistón multiplicando la
fuerza ejercida. La bomba hidráulica está llena de aceite y
cuando sube la carga expulsa el aceite y cuando baja la
carga recoge el aceite.
La energía hidráulica se basa en aprovechar la caída del agua desde cierta altura
para producir energía eléctrica. Actualmente, el empleo de la energía hidráulica
tiene uno de sus mejores exponentes: la energía mini hidráulica, de bajo impacto
ambiental.
La energía hidráulica o energía hídrica se
obtiene del aprovechamiento de las energías
cinética y potencial de la corriente del agua o
los saltos de agua naturales. En el proceso, la
energía potencial, durante la caída del agua,
se convierte en cinética y mueve una turbina
para aprovechar esa energía.
Este recurso puede obtenerse aprovechando los recursos tal y como surgen en la
naturaleza, por ejemplo una garganta o catarata natural, o bien mediante
la construcción de presas. Desde hace siglos existen pequeñas explotaciones en
las que la corriente de un río mueve un rotor de palas y genera un movimiento
aplicado, por ejemplo, en molinos rurales. Sin embargo, la utilización más común
hoy en día la constituyen las centrales hidroeléctricas de las presas.
Con la Revolución Industrial, y especialmente a partir del siglo XIX, comenzó a
cobrar importancia con la aparición de las ruedas hidráulicas para la producción de
energía eléctrica. Poco a poco la demanda de electricidad fue en aumento. La
primera central hidroeléctrica moderna se construyó en 1880 en Northumberland,
Gran Bretaña. Sin embargo, el nuevo sistema resultaba caro y la central eléctrica
acabó cerrándose después de sólo dos años y medio.
El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador
eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al
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aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX por el desarrollo
industrial. Ya en 1920 las centrales hidroeléctricas generaban una parte
importante de la producción total de electricidad.
¿Cómo funcionan las centrales hidroeléctricas?
En el aprovechamiento de la energía hidráulica influyen dos factores: el caudal y la
altura del salto. Para aprovechar mejor el agua, se construyen presas para regular
el caudal en función de la época del año. La presa sirve también para aumentar el
salto.
Otra manera de incrementar la altura del salto es derivando el agua por un canal
de pendiente pequeña (menor que la del cauce del río), consiguiendo un desnivel
mayor entre el canal y el cauce del río.
Cuando se quiere producir energía, parte del agua almacenada se deja salir de la
presa para que mueva una turbina engranada con un generador de energía
eléctrica. Así, su energía potencial se convierte en energía cinética llegando a las
salas de máquinas. El agua pasa por las turbinas a gran velocidad, provocando un
movimiento de rotación que finalmente se transforma en energía eléctrica por
medio de los generadores.
En muchos países se han instalado centrales pequeñas, con potencias inferiores a
10Mw. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la
principal fuente de electricidad. La energía mini hidráulica se considera respetuosa
con el medio ambiente, ya que los impactos que genera son pequeños y
fácilmente minimizables.
Propiedades físicas de los fluidos:
La materia ordinaria se presenta en alguno de los tres estados siguientes: sólido,
líquido o gaseoso. Existe un cuarto estado de la materia denominado plasma que
es esencialmente un gas ionizado con igual número de cargas positivas que
negativas. A los líquidos y gaseosos se les denomina fluidos. Característica
peculiar de un fluido es que no tienen forma propia, adquiriendo la del recipiente
que lo contiene.
Liquido:
-toma la forma del recipiente
-ocupa el máximo volumen permitido
- incompresible
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Gases:
-se expanden hasta ocupar el volumen máximo
- adoptan la forma del recipiente cerrado
-compresible
Fluido:
-sustancias que adoptan la forma del recipiente que los contiene
-no resisten esfuerzos tangentes
Para comprender de forma adecuada el comportamiento de los sistemas
hidráulicos, es necesario conocer previamente varias propiedades de los fluidos
que determinan su comportamiento:
Densidad.
Cociente entre la masa de una determinada sustancia y
el volumen que ésta ocupa.
La unidad de densidad en el Sistema Internacional de Unidades (S.I.) es el kg/m3.
También son muy empleadas otras unidades como el g/cm3 o el Kg/l.
Presión de vapor
Presión que ejerce el vapor generado por un fluido dentro de un espacio cerrado
cuando se equilibran la cantidad de fluido evaporado y el que se vuelve a
condensar. La presión de vapor es una magnitud directamente proporcional a la
temperatura del fluido.
Cuando se iguala la presión de vapor de un fluido a la presión del exterior, el
líquido entra en ebullición. En esta propiedad se basa el fenómeno de
la cavitación que provoca enormes pérdidas y destrozos en las conducciones de
fluidos debido a la corrosión ocasionada.
La cavitación tiene lugar cuando ciertos fluidos que son conducidos por un
circuito, puede ocurrir que haya zonas singulares, en que la presión disminuya,
si lo hace por debajo de la presión de vapor del fluido, provocará que parte de
este hierva, generándose burbujas que son conducidas hasta zonas donde haya
mayores presiones, condensándose de nuevo.
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Viscosidad
Oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. En el
caso que nos ocupa, la viscosidad se pone de manifiesto por la
fricción y el rozamiento que se produce entre las moléculas de
un fluido al circular por una conducción y entre las moléculas del
fluido y las paredes interiores de los conductos del circuito.
Se dice que la viscosidad de un fluido es baja cuando éste
circula con facilidad por una conducción. La viscosidad se suele
medir en grados Engler, que indican la velocidad de trasiego de
200 cm3 de fluido a través de un conducto cilíndrico de platino
con un diámetro de 2,8 mm.
La viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura. La relación entre
estas dos magnitudes se mide a través del Índice de viscosidad.
Se dice que un fluido posee un índice de viscosidad muy bajo cuando es muy
viscoso a bajas temperaturas y muy fluido a altas temperaturas.
Un fluido que presente un elevado índice de viscosidad es aquel que
prácticamente se mantiene inalterado desde el punto de vista de la viscosidad, sin
que prácticamente le afecte la temperatura del fluido.
En los circuitos hidráulicos, los aceites minerales utilizados deben tener un índice
de viscosidad no inferior a 75. Es importante conocer la temperatura mínima a la
que un fluido puede circular por un circuito hidráulico.
Resistencia a la oxidación
Los aceites utilizados como fluidos en los circuitos hidráulicos, al ser derivados
del petróleo, son oxidables, ya que el oxígeno atmosférico del aire disuelto en el
aceite, se combina fácilmente con el carbono y el hidrógeno, dando lugar a
productos tanto solubles como insolubles pero en cualquier caso perjudiciales
para la vida de los equipos.
En el caso de los productos solubles, se producen reacciones que forman lodos,
corroen los conductos e incrementan la viscosidad del fluido. Por su parte los
productos insolubles son arrastrados hasta los estrangulamientos del circuito,
actuando como abrasivos, favoreciendo el desgaste prematuro, provocando
obturaciones y taponamientos.
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Con objeto de evitar estos problemas en los circuitos hidráulicos, es necesario el
uso de antioxidantes, sobre todo cuando se alcanzan elevadas temperaturas
del aceite.
Régimen laminar
Cuando un fluido circula por un circuito hidráulico, cada una de sus partículas
describe una trayectoria lineal bien definidas. Estas líneas reciben el nombre de
trayectorias de flujo o de corriente.
Se dice que el régimen de circulación es laminar cuando la velocidad del fluido
no rebasa ciertos límites y como consecuencia el movimiento de las partículas
de fluido tiene lugar entre capas paralelas que no se entremezclan, siendo
prácticamente paralelas las líneas de flujo a las paredes de los conductos.
Cada una de las trayectorias tiene una velocidad diferente, siendo mayor cuanto
más al centro de la conducción se encuentre.
Imagen 4. Recurso propio.
Régimen turbulento
Si la velocidad de circulación del fluido dentro la conducción supera un cierto
valor, llamado velocidad crítica, las capas de fluido se entremezclan y las
trayectorias se complican, dando lugar a la aparición de remolinos, en este caso
se dice que el régimen es turbulento.
Cuanto mayor sea la viscosidad de un fluido menor será su tendencia a mantener
regímenes turbulentos.
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Imagen 5. Recurso propio.
El tipo de flujo dentro de una conducción se puede prever a través un coeficiente
llamado número de Reynolds (NR). Este valor se define mediante la siguiente
expresión:
Dónde:
es la densidad del fluido (kg/m3)
es la velocidad del fluido (m/s)
es el diámetro del conducto (m)
es la viscosidad del fluido(N.s/m2)
Los experimentos han demostrado que el flujo será laminar si el número de
Reynolds es aproximadamente menor de 2000 y turbulento si sobrepasa los 3000.
Entre estos valores el flujo es inestable y puede variar de un tipo de flujo al otro.
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LEYES BASICAS DE LA HIDRAULICA
Los sistemas hidráulicos se utilizan a menudo para
levantar objetos, por ejemplo, motores de
automóviles. Es necesario que el diseñador del
sistema comprenda la relación entre presión, fuerza y
área, para que pueda lograr que el sistema funcione
adecuadamente.
Los diseñadores de sistemas hidráulicos aplican un
conjunto básico de leyes cuando diseñan sistemas.
Dichas leyes son aplicables a todos los sistemas hidráulicos.
La ley de Pascal describe la forma en que la presión
actúa sobre todas las superficies de un contenedor.
La ley establece que "Cuando un fluido confinado no
está fluyendo, la presión aplicada sobre ese fluido se
transmite uniformemente a toda la superficie del
contenedor en el cual se encuentra".
La fuerza que un cilindro hidráulico produce es
fundamental en la mayoría de los sistemas
hidráulicos, ya que determina la carga máxima que
es posible mover. El tamaño del cilindro (área de su
sección transversal) y la presión de alimentación,
básicamente determinan la cantidad de fuerza que
el pistón del cilindro es capaz de ejercer.
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Generación de energía hidráulica
MOTORES ELECTRICOS
Un motor hidráulico es un actuador mecánico que convierte
presión hidráulica y flujo en un par de torsión y un
desplazamiento angular, es decir, en una rotación o giro. Su
funcionamiento es pues inverso al de las bombas
hidráulicas y es el equivalente rotatorio del cilindro hidráulico.
Se emplean sobre todo porque entregan un par muy grande a
velocidades de giro pequeñas en comparación con
los motores eléctricos.
Tipos de motores eléctricos:
Motores de engranajes: Son de tamaño reducido y pueden girar en los dos
sentidos, pero el par es pequeño, son ruidosos, pueden trabajar a altas
velocidades pero de forma análoga a los motores de paletas, su rendimiento cae a
bajas velocidades.
Motores de paletas: Tienen la misma estructura que las bombas de paletas, pero
el movimiento radial de las paletas debe ser forzado, mientras que en las bombas
se debe a la fuerza centrífuga.
Motores de pistones. Son los más empleados de todos ya que se consiguen las
mayores potencias trabajando a altas presiones. En función de la posición de
los pistones con respecto al eje podemos encontrar:
Motores de pistones axiales: Los pistones van dispuestos en la dirección del
eje del motor. El líquido entra por la base del pistón y lo obliga desplazarse
hacia fuera. Como la cabeza del pistón tiene forma de rodillo y apoya sobre
una superficie inclinada, la fuerza que ejerce sobre ella se descompone según
la dirección normal y según la dirección tangencial a la superficie. Esta última
componente la obligará a girar, y con ella solidariamente, el eje sobre la que va
montada. Variando la inclinación de la placa o el basculamiento entre el eje de
entrada y salida se puede variar la cilindrada y con ella el par y la potencia.
Motor de pistones radiales: Los pistones van dispuestos perpendicularmente al
eje del motor. El principio de funcionamiento es análogo al de los axiales pero
aquí el par se consigue debido a la excentricidad, que hace que la componente
transversal de la fuerza que el pistón ejerce sobre la carcasa sea distinta en dos
posiciones diametralmente opuestas, dando lugar a una resultante no nula que
origina el par de giro.
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BOMBAS
Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la energía
(generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía del fluido
incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla
de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de
papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o
su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una
bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al
sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a
otra de mayor presión o altitud.
Existe una ambigüedad en la utilización del término bomba, ya que generalmente
es utilizado para referirse a las máquinas de fluido que transfieren energía,
o bombean fluidos incompresibles, y por lo tanto no alteran la densidad de su
fluido de trabajo, a diferencia de otras máquinas como lo son los compresores,
cuyo campo de aplicación es la neumática y no la hidráulica. Pero también es
común encontrar el término bomba para referirse a máquinas que bombean otro
tipo de fluidos, así como lo son las bombas de vacío o las bombas de aire.
Tipos de bombas
Según el principio de
funcionamiento
La principal clasificación
de las bombas según el
funcionamiento en que
se base:
Bombas
de desplazamientos
positivos o volumétricos,
en las que el principio
de funcionamiento está
basado en la
hidrostática, de modo
que el aumento de
presión se realiza por el
empuje de las paredes
de las cámaras que
varían su volumen.
Bomba de lóbulos dobles.
Bomba de engranajes.
Bomba rotodinámica axial.
Bomba centrífuga de 5 etapas.
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En este tipo de bombas, en cada ciclo el órgano propulsor genera de manera
positiva un volumen dado o cilindrada, por lo que también se denominan bombas
volumétricas. En caso de poder variar el volumen máximo de la cilindrada se habla
de bombas de volumen variable. Si ese volumen no se puede variar, entonces se
dice que la bomba es de volumen fijo. A su vez este tipo de bombas pueden
subdividirse en
Bombas de émbolo alternativo, en las que existe uno o varios compartimentos
fijos, pero de volumen variable, por la acción de un émbolo o de una
membrana. En estas máquinas, el movimiento del fluido es discontinuo y los
procesos de carga y descarga se realizan por válvulas que abren y cierran
alternativamente. Algunos ejemplos de este tipo de bombas son la bomba
alternativa de pistón, la bomba rotativa de pistones o la bomba pistones de
accionamiento axial.
Bombas volumétricas rotativas o rotoestáticas, en las que una masa fluida es
confinada en uno o varios compartimentos que se desplazan desde la zona de
entrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de alta presión) de la
máquina. Algunos ejemplos de este tipo de máquinas son la bomba de paletas,
la bomba de lóbulos, la bomba de engranajes, la bomba de tornillo o la bomba
peristáltica.
Bombas rotodinámicas, en las que el principio de funcionamiento está basado en
el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la
hidrodinámica. En este tipo de bombas hay uno o varios rodetes con álabes que
giran generando un campo de presiones en el fluido. En este tipo de máquinas el
flujo del fluido es continuo. Estas turbo máquinas hidráulicas generadoras pueden
subdividirse en:
Radiales o centrífugas, cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria
perpendicular al eje del rodete impulsor.
Axiales, cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una
trayectoria contenida en un cilindro.
Diagonales o helicocentrífugas cuando la trayectoria del fluido se realiza en
otra dirección entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del
rodete.
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Según el tipo de accionamiento
Electrobombas. Genéricamente, son aquellas accionadas por un motor
eléctrico, para distinguirlas de las motobombas, habitualmente accionadas por
motores de combustión interna.
Bombas neumáticas que son bombas de desplazamiento positivo en las que la
energía de entrada es neumática, normalmente a partir de aire comprimido.
Bombas de accionamiento hidráulico, como la bomba de ariete o la noria.
Bombas manuales. Un tipo de bomba manual es la bomba de balancín.
COSTRUCCION Y FUNCIONAMIENTO
Una bomba hidráulica es una máquina que transforma la energía (generalmente
energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido
incompresible que mueve. El fluido puede ser líquido, o una mezcla de líquidos y
sólidos como el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel.
Historia:
Desde hace milenios el hombre aprendió a abastecerse de agua mediante
mecanismos para transferirla de un lugar a otro. Ejemplos de estas máquinas
primitivas son la noria movida por accionamiento humano o tracción animal y el
malacate, empleados por las antiguas culturas egipcias y
babilónicas. Arquímedes describió en el siglo III antes de nuestra era lo que hoy se
conoce como tornillo de Arquímedes, aunque este sistema había sido utilizado
anteriormente por Senaquerib, rey de Asiria en el siglo VII a.n.e. En el siglo XII, Al-
Jazari describió e ilustró diferentes tipos de bombas, incluyendo bombas
reversibles, bombas de doble acción, bombas de vacío, bombas de agua y
bombas de desplazamiento positivo.
Funcionamiento:
El movimiento del agua y otros líquidos y gases se hace creando una diferencia de
presión entre dos puntos por succión, compresión, vacío, empuje y otros medios.
El accionamiento de las bombas puede ser con energía humana (bomba manual),
humana o animal (noria), animal (malacate), motor eléctrico (turbina y otras),
eólica (molino de viento), o incluso con la energía de una corriente de agua (ariete,
molino de agua).
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Clasificación:
Para una clasificación de los diferentes tipos de bombas hidráulicas, se deben
conocer los términos más importantes para evaluar sus méritos, ellos son:
Amplitud de presión: Son los límites máximos de presión con los cuales una
bomba puede funcionar adecuadamente. Las unidades más usadas son
kg/cm2 o lb/plg2.
Volumen: Es la cantidad de fluido que una bomba puede entregar a la presión
de operación. Las unidades son L/min o gal/min.
Amplitud de la velocidad: Se constituyen en los límites máximo y mínimo en
los cuales las condiciones a la entrada y soporte de la carga permitirán a la
bomba funcionar satisfactoriamente. La unidad empleada es r.p.m.
Eficiencia mecánica: Se puede determinar mediante la relación entre el
caballaje teórico a la entrada, necesario para un volumen específico en una
presión específica y el caballaje real a la entrada necesario para el volumen
específico a la presión específica.
Eficiencia volumétrica: Se puede determinar mediante la relación entre el
volumen teórico de salida a 0 lb/plg2 (kg/cm2) y el volumen real a cualquier
presión asignada.
Eficiencia total: Se puede determinar mediante el producto entre la eficiencia
mecánica y la eficiencia volumétrica.
Cómo seleccionar una bomba hidráulica
Las bombas deben seleccionarse según el concepto del trabajo a realizar, con
base a: Presión máxima de trabajo; Rendimiento de la bomba; Precisión y
seguridad de operación; Fácil mantenimiento; Máximo flujo; Control requerido en
la fase de arranque.
Las características mecánicas de las bombas son definidas por las condiciones de
la operación, como presión, temperaturas, condiciones de succión y el material
bombeado. Las características hidráulicas son inherentes a cada tipo de bomba y
están influidos por la densidad, viscosidad, tipo de accionamiento y tipo de control.
Según el principio de funcionamiento:
Bombas de desplazamientos positivos o volumétricos. En ellas que el
principio de funcionamiento está basado en la hidrostática, de modo que el
aumento de presión se realiza por el empuje de las paredes de las cámaras que
varían su volumen. En este tipo de bombas, en cada ciclo el órgano propulsor
genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, por lo que también se
denominan:
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Bombas volumétricas. En caso de poder variar el volumen máximo de la
cilindrada se habla de bombas de volumen variable. Si ese volumen no se puede
variar, entonces se dice que la bomba es de volumen fijo. A su vez este tipo de
bombas pueden subdividirse en:
Bomba alternativa manual para uso doméstico
Bombas de émbolo alternativo. En ellas que existe uno o varios compartimentos
fijos, pero de volumen variable, por la acción de un émbolo o de una membrana.
En estas máquinas, el movimiento del fluido es discontinuo y los procesos de
carga y descarga se realizan por válvulas que abren y cierran alternativamente. Su
órgano fundamental es un émbolo o pistón que se desplaza alternativamente
dentro de un cilindro. Algunos ejemplos de este tipo de bombas son la bomba
alternativa de pistón, la bomba rotativa de pistones o la bomba pistones de
accionamiento axial. En las bombas de simple efecto una válvula se abre para que
penetre el agua en la cavidad que va dejando el pistón en su ascenso y luego se
cierra cuando el pistón desciende para que ésta no regrese, abriéndose otra
válvula para que salga el líquido hacia el lugar deseado. En las bombas de doble
efecto la disposición de las válvulas permite que se absorba y se impele líquido
tanto en el movimiento de subida como en el de bajada del pistón. Las bombas
más simples son muy utilizadas en viviendas que no cuentan con energía
eléctrica, pero otros modelos más complejos de varios pistones alternativos sirven
para diferentes usos técnicos.
Turbina de agua de acción centrífuga
Bombas volumétricas rotativas o rotoestáticas. En éstas una masa fluida es
confinada en uno o varios compartimentos que se desplazan desde la zona de
entrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de alta presión) de la máquina.
Algunos ejemplos de este tipo de máquinas son la bomba de paletas, la bomba de
lóbulos, la bomba de engranajes, la bomba de tornillo o la bomba peristáltica.
Bombas rotodinámicas. Su principio de funcionamiento está basado en el
intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la
hidrodinámica. En este tipo de bombas hay uno o varios rodetes con álabes que
giran generando un campo de presiones en el fluido. En este tipo de máquinas el
flujo del fluido es continuo. Poseen un eje rotor dotado de paletas
permanentemente en contacto con el líquido. Al girar, las paletas golpean al
líquido proporcionándole una presión haciéndolo salir de la bomba. Estas bombas
están selladas, pues si penetra el aire no funcionan. Para ello la tubería debe
disponer de una válvula de no retorno que hace que siempre permanezca agua
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dentro de la centrífuga y la tubería de extracción. Son las turbinas más comunes
para uso doméstico, agrícola o industrial en lugares con energía eléctrica.
Estas turbomáquinas hidráulicas generadoras pueden subdividirse en:
Radiales o centrífugas, cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria
perpendicular al eje del rodete impulsor.
Axiales, cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una
trayectoria contenida en un cilindro.
Diagonales o helicocentrífugas, cuando la trayectoria del fluido se realiza en
otra dirección entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del
rodete.
Según el tipo de accionamiento
Electrobombas. Genéricamente, son aquellas accionadas por un motor
eléctrico, para distinguirlas de las motobombas, habitualmente accionadas por
motores de explosión
Bombas neumáticas. Son bombas de desplazamiento positivo en las que la
energía de entrada es neumática, normalmente a partir de aire comprimido.
Bombas de accionamiento hidráulico. Como la bomba de ariete o la noria.
Bombas manuales. Un tipo de bomba manual es la bomba de balancín.
Bomba vertical y horizontal. El eje de rotación de una bomba puede ser
horizontal o vertical, (rara vez inclinado). De esta disposición se derivan
diferencias estructurales en la construcción de la bomba que a veces son
importantes, por lo que también las aplicaciones de los dos tipos de construcción
suelen ser, a menudo, distintas y bien definidas.
Bombas horizontales. La disposición del eje de giro horizontal presupone que la
bomba y el motor se hallan a la misma altura. Éste tipo de bombas se utiliza para
funcionamiento en seco, exterior al líquido bombeado que llega a la bomba por
medio de una tubería de aspiración.
Las bombas centrífugas, sin embargo, no deben rodar en seco, ya que necesitan
del líquido bombeado como lubricante entre aros rozantes e impulsor, y entre
empaquetadura y eje. Como no son auto aspirantes requieren, antes de su puesta
en marcha, el estar cebadas; esto no es fácil de conseguir si la bomba no trabaja
en carga, estando por encima del nivel del líquido, que es el caso más corriente
con bombas horizontales, siendo a menudo necesarias las válvulas de pie,
(aspiración), y los distintos sistemas de cebado.
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Como ventajas específicas se puede decir que las bombas horizontales, (excepto
para grandes tamaños), son de construcción más barata que las verticales y,
especialmente, su mantenimiento y conservación es mucho más sencillo y
económico; el desmontaje de la bomba se suele hacer sin necesidad de mover el
motor y al igual que en las de cámara partida, sin tocar siquiera las conexiones de
aspiración e impulsión.
Bombas verticales. Las bombas con eje de giro en posición vertical tienen, casi
siempre, el motor a un nivel superior al de la bomba, por lo que es posible, al
contrario que en las horizontales, que la bomba trabaje rodeada por el líquido a
bombear, estando, sin embargo, el motor por encima de éste.
Bombas verticales de funcionamiento en seco. En las bombas verticales no
sumergidas, el motor puede estar inmediatamente sobre la bomba, o muy por
encima de ésta. El elevarlo responde a la necesidad de protegerlo de una posible
inundación o para hacerlo más accesible si, por ejemplo, la bomba trabaja en un
pozo. El eje alargado puede ser rígido o flexible por medio de juntas universales,
lo que simplifica el siempre difícil problema del alineamiento. Se emplean muy a
menudo las mismas bombas horizontales modificadas únicamente en sus
cojinetes. La aspiración es lateral, (horizontal); en las bombas grandes,
frecuentemente, es por abajo, aunque a veces se transforma en lateral mediante
un simple codo.
La ventaja de las bombas verticales, es que requieren muy poco espacio
horizontal que las hace insustituibles en barcos, pozos, etc.; sin embargo se
necesita un espacio vertical superior suficiente para permitir su cómodo montaje y
desmontaje. Para bombas de gran caudal, la construcción vertical resulta en
general más barata que la horizontal. Las bombas verticales se emplean
normalmente en aplicaciones marinas, para aguas sucias, drenajes, irrigación,
circulación de condensadores.
Bombas verticales sumergidas. El funcionamiento sumergido de las bombas
centrífugas elimina el inconveniente del cebado, por lo que el impulsor se halla
continuamente, aún parado, rodeado por el líquido a impulsar y, por lo tanto, la
bomba está en disposición de funcionar en cualquier momento. El control de la
unidad requiere únicamente la puesta en marcha del motor de accionamiento, sin
necesidad de dispositivos adicionales de cebado previo. La aspiración, que es
siempre por abajo, se hace a una cierta profundidad con respecto al nivel libre del
líquido. Si esta profundidad es menor de lo debido, 2 ó 3 veces el diámetro del
orificio de aspiración, se pueden crear en la superficie vórtices o remolinos por
cuyo centro se introduce aire en la bomba, con la consiguiente pérdida de caudal y
deficiente funcionamiento.
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El eje del que van provistas estas bombas, va guiado normalmente por cojinetes
de fricción separados a intervalos regulares (de 1,5 a 3 metros) y lubricados por
aceite, grasa, o el mismo líquido bombeado; en este último caso, el eje se suele
disponer en el interior de la tubería de impulsión vertical, cerca del motor, en que
ésta se desvía horizontalmente mediante un codo adecuado. En los casos de
lubricación por grasa o aceite, el eje va dentro de un tubo portador de los
cojinetes, siendo este conjunto, a su vez, exterior o interior a la tubería de
impulsión.
La otra solución tiene la ventaja de requerir un menor espacio, siendo en ambos
casos innecesaria la empaquetadura, lo que constituye también una circunstancia
muy favorable, dados los inconvenientes que ésta lleva a veces consigo.
Las bombas sumergidas tienen la ventaja de ocupar un espacio horizontal mínimo,
sólo el necesario para acomodar el motor vertical y la impulsión, siendo incluso
ésta a veces subterránea. Las ventajas hidráulicas son evidentes al desaparecer
todos los problemas de aspiración que constituyen el principal inconveniente en el
funcionamiento de las bombas centrífugas. Desde un punto de vista mecánico,
esta disposición presenta grandes inconvenientes con respecto a la horizontal. Las
bombas son inicialmente más caras y su mantenimiento mucho más elevado, ya
que cualquier reparación exige el desmontaje de la bomba para izarla a la
superficie. El eje alargado, somete a los cojinetes a un trabajo duro que sobre
todo, si están lubricados por agua o líquidos sin grandes propiedades lubricantes,
hace que su vida sea corta e imprevisible.
Los tipos más importantes de bombas verticales sumergidas son las bombas de
turbinas verticales o de pozo profundo, las bombas de hélice y las bombas de
voluta sumergidas.
ACUMULADORES
Un acumulador es una especie de depósito capaz de almacenar una cierta
cantidad de fluido con presión, para auxiliar al circuito hidráulico en caso de
necesidad.
Los supuestos casos de necesidad pueden ser:
Restituir; compensar pequeñas perdidas de fluido en el circuito.
Contra dilatación; los luidos por cambio de temperatura pueden dilatarse y perder
presión.
Reserva; al poder mantener una presión, pueden servir de reserva de energía.
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Contra golpes de ariete; el golpe de ariete es un concepto hidráulico que engloba
diferentes causas de perdida de caudal, como podrían ser el cierre de válvulas,
parada de bombas, puesta en marcha de bombas, etc.,.
Amortiguador; puede utilizarse para amortiguar las pulsaciones de una bomba.
Seguridad; para evitar accidentes por interrupciones súbitas del generador de
potencia.
El fluido al entrar dentro de un acumulador levanta un peso, comprime un muelle o
comprime un gas, por estos posibles motivos, el acumulador puede almacenar el
fluido bajo una presión y también, esta es la causa que exista varios tipos de
acumuladores, los mas usados son los de membrana y los d vejiga.
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MANOMETRO
Los manómetros para uso hidráulico son manómetros diseñados
para aplicaciones en procesos donde se desee indicar la fuerza de
un pistón hidráulico y la presión manométrica. Estos manómetros
vienen graduados con doble escala, kgf/cm2 de presión y la
correspondiente en toneladas métricas. Todos los manómetros de
la marca DE WIT pueden ser suministrados para esta aplicación,
al ordenar se deberá agregar “H” al modelo e indicar el rango en
toneladas y el diámetro del pistón.
Qué es un Manómetro?
Un manómetro es un instrumento de medida de la presión en fluidos (líquidos y
gases) en circuitos cerrados. Miden la diferencia entre la presión real o absoluta y
la presión atmosférica, llamándose a este valor presión manométrica. Lo que
realmente hacen es comparar la presión atmosférica (la de fuera) con la de dentro
del circuito por donde circula al fluido. Por eso se dice que los manómetros miden
la presión relativa.
Los aparatos que miden la presión atmosférica son los barómetros, no
confundirlos con los manómetros que se usan en la industria en los circuitos
neumáticos e hidráulicos generalmente.
Recuerda que la presión se define como la fuerza por unidad de superficie que
ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie.
Las unidades de presión son muy variadas. En el Sistema Internacional de
unidades es el Pascal (Pa), en química se usa el mm de Hg, al que se llama
también torr (en honor a Torricelli) y la atmósfera (atm). El problema del Pascal es
que es una unidad muy pequeña para los valores habituales de presión en los
fluidos, es por eso que se utilizan otras.
1atm = 101.300 Pa
1bar = 100.00 Pa
En la industria se usa el kp/cm2. Cuando alguien dice que la presión de un
neumático es de "2 kilos" se está refiriendo a esta unidad, el kp/cm2, (kp/cm2 = 98
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000 Pa). Esta forma de expresar la presión es incorrecta, pero casi todo el mundo
la usa.
Los manómetros industriales suelen tener una escala graduada que mide la
presión, normalmente, en bares, pascales o en psi (fuerza por pulgada
cuadrada).
El símbolo que se utiliza en los circuitos para el manómetro
depende del tipo. Aquí vemos los 3 utilizados. El primero
es el manómetro en general, el segundo es un manómetro
diferencial que sirve para medir la diferencia de presión
entre dos puntos y el tercero vale para cualquier medidor
de presión.
¿Cómo Funcionan?
Todos los manómetros tienen un elemento
que cambia alguna propiedad cuando son
sometidos a la presión, este cambio se
manifiesta en una escala o pantalla calibrada
directamente en las unidades de presión
correspondientes.
Los manómetros, son dispositivos cilíndricos,
con una escala graduada, normalmente en
bares o en psi, y una aguja que gira en
función de la diferencia de presión entre el
exterior y la del circuito donde queremos
medir. Es decir la aguja nos mide la presión
en el interior del circuito.
Tipos de Manómetros
1. Los que equilibran la presión desconocida con otra que se conoce. A
este tipo pertenece el manómetro de vidrio en U, en el que la presión se
determina midiendo la diferencia en el nivel del líquido de las dos ramas.
2. Los que la presión desconocida actúa sobre un material elástico que
produce el movimiento utilizado para poder medir la presión. A este tipo
de manómetro pertenece el manómetro de tubo de Bourdon, el de pistón,
el de diafragma, etc.
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3. Manómetros Digitales: Están dirigidos
por un microprocesador y garantizan alta
precisión y fiabilidad. Un display marca
directamente la presión del fluido en
pantalla.
DEPOSITOS Depósitos Hidráulicos
La principal función del depósito o tanque hidráulico es almacenar aceite,
aunque no es la única. El tanque también debe eliminar el calor y separar el aire
del aceite. Los tanques deben tener resistencia y capacidad adecuadas, y no
deben dejar entrar la suciedad externa. Los dos tipos principales de tanques
hidráulicos son: tanque presurizado y tanque no presurizado. La figura muestra los
componentes del depósito hidráulico.
Depósito Hidráulico no presurizado
Tapa de llenado: Mantiene los contaminantes fuera de la abertura usada para
llenar y añadir aceite al tanque. En los tanques presurizados la tapa de llenado
mantiene hermético el sistema.
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Mirilla: Permite revisar el nivel de aceite del tanque hidráulico. El nivel de aceite
debe revisarse cuando el aceite está frío. Si el aceite está en un nivel a mitad de la
mirilla, indica que el nivel de aceite es correcto.
Tuberías de suministro y retorno: La tubería de suministro permite que el aceite
fluya del tanque al sistema. La tubería de retorno permite que el aceite fluya del
sistema al tanque.
Drenaje: Ubicado en el punto más bajo del tanque, el drenaje permite sacar el
aceite en la operación de cambio de aceite. El drenaje también permite retirar del
aceite contaminantes como el agua y sedimentos.
Rejilla de llenado: Evita que entren contaminantes grandes al tanque cuando se
quita la tapa de llenado.
Tubo de llenado: Permite llenar el tanque al nivel correcto y evita el llenado en
exceso.
Deflectores: Evitan que el aceite de retorno fluya directamente a la salida del
tanque y dan tiempo para que las burbujas en el aceite de retorno lleguen a la
superficie. También evita que el aceite salpique, lo que reduce la formación de
espuma en el aceite.
Rejilla de retorno: Evita que entren partículas grandes al tanque, aunque no
realiza un filtrado fino.
Depósito Hidráulico presurizado
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Los dos tipos principales de tanques hidráulicos son: tanque presurizado y tanque
no presurizado.
Tanque presurizado
El tanque presurizado está completamente sellado. La presión atmosférica no
afecta la presión del tanque. Sin embargo, a medida que el aceite fluye por el
sistema, absorbe calor y se expande. La expansión del aceite comprime el aire del
tanque. El aire comprimido obliga al aceite a fluir del tanque al sistema. La válvula
de alivio de vacío tiene dos propósitos: evita el vacío y limita la presión máxima
del tanque. La válvula de alivio de vacío evita que se forme vacío en el tanque al
abrirse y permite que entre aire al tanque cuando la presión del tanque cae a
valores próximos a 3,45 kPa.
Cuando la presión del tanque alcanza el ajuste máximo de presión de la válvula de
alivio de vacío, la válvula se abre y descarga el aire atrapado a la atmósfera.
Tanque no presurizado
El tanque no presurizado tiene un respiradero que lo diferencia del tanque
presurizado. El respiradero permite que el aire entre y salga libremente. La presión
atmosférica que actúa en la superficie del aceite obliga al aceite a fluir del tanque
al sistema. El respiradero tiene una rejilla que impide que la suciedad entre al
tanque.
Simbología
La figura indica la representación de los símbolos
ISO del tanque hidráulico. El símbolo ISO del
tanque hidráulico no presurizado es simplemente
una caja o rectángulo abierto en la parte superior.
El símbolo ISO del tanque presurizado se
representa como una caja o rectángulo
completamente cerrado. A los símbolos de los
tanques hidráulicos se añaden los esquemas de la
tubería hidráulica para una mejor representación de
los símbolos.
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TUBERIAS
Tuberías hidráulicas
Las tuberías hidráulicas se usan cuando la
distancia entre el generador de presión y la toma
es demasiado grande. Normalmente se
recomienda emplear una tubería a partir de los
10 o 12 metros de distancia. Al contrario que las
mangueras, no hace falta cambiar las tuberías a
intervalos regulares.
Para una tubería se necesitan sendas tuberías de aceite de presión, de retorno y
de fuga fabricadas de tubo de acero de precisión sin soldadura. El diámetro de la
tubería resulta del caudal necesario y la velocidad de circulación. La fijación se
realiza sobre tabiques estables, suelos de hormigón o techos mediante
abrazaderas de oscilación amortiguada.
Las tuberías hidráulicas se proyectan y construyen individualmente
Si planea una instalación nueva, una mudanza o una ampliación de su instalación
actual, contáctenos.
Una tubería o cañería es un conducto que cumple la función de transportar agua u
otros fluidos. Se suele elaborar con materiales muy diversos. Cuando
el líquido transportado es petróleo, se utiliza el término oleoducto. Cuando el fluido
transportado es gas, se utiliza el término gasoducto. También es posible
transportar mediante tuberías materiales que, si bien no son un fluido, se adecuan
a este sistema: hormigón, cemento, cereales, documentos encapsulados, etcétera.
Las tuberías se fabrican en diversos materiales en función de consideraciones
técnicas y económicas. Suele usarse el poliéster reforzado con fibra de vidrio
(PRFV), hierro
fundido, acero, latón, cobre, plomo, hormigón, polipropileno, PVC,1 y termoplástico
polietileno de alta densidad (PEAD), etcétera.
Tubos de acero
Hay tres métodos de fabricación de tuberías de acero:
1 Acero estirado o Sin costura (sin soldadura). La tubería es un lingote
cilíndrico que se calienta en un horno antes de la extrusión. En la extrusión se
hace pasar por un dado cilíndrico y posteriormente se hace el agujero mediante un
penetrador. La tubería sin costura es la mejor para la contención de la presión
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gracias a su homogeneidad en todas sus direcciones. Además, es la forma más
común de fabricación y por tanto la más comercial.
2 Con costura longitudinal. Se parte de una lámina de chapa, la cual se dobla
para darle forma a la tubería. La soldadura que une los extremos de la chapa
doblada cierra el cilindro. Por tanto, es una soldadura recta que sigue toda una
generatriz. Variando la separación entre los rodillos se obtienen diferentes curvas
y con ello diferentes diámetros de tubería. Esta soldadura será la parte más débil
de la tubería y marcará la tensión máxima admisible.
3 Con soldadura helicoidal (o en espiral). La metodología es la misma que el
punto anterior, con la salvedad de que la soldadura no es recta sino que recorre la
tubería siguiendo la tubería como si fuese roscada.
Tubos de acero galvanizado
La tubería de acero galvanizado es una tubería de acero (estirado o con
soldadura), como en el caso anterior, pero a la que se ha sometido a un proceso
de galvanizado interior y exteriormente. El galvanizado se aplica después de
formado el tubo. Al igual que la de acero al carbón, se dobla la placa a los
diámetros que se requiera. Existen con costura y sin costura y se utiliza para
transportar agua potable, gases o aceites.
Tubos o conductos de chapa galvanizada
Son conductos utilizados para aire (instalaciones de climatización) que se pueden
hacer de dos modos:
De sección circular: suelen construirse de chapa arrollada helicoidalmente y
engatillada.
De sección rectangular: se construyen de cualquier dimensión mediante la
suma de chapas planas embutidas someramente, generalmente en punta de
diamante, para darle mayor rigidez.
Tubos de hierro fundido
Una tubería de hierro fundido se fabrica mediante una colada en un molde o
mediante inyección del hierro fundido en un proceso llamado fundición, en el cual
la tubería sale sin costura. La ventaja de este sistema es que las tuberías tienen
gran durabilidad y resistencia al uso. Por contra son más frágiles ante los golpes.
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Estructura de circuitos hidráulicos
Un circuito hidráulico es un sistema que comprende un conjunto
interconectado de componentes separados que
transporta líquido. Este sistema se usa para controlar el flujo del
fluido (como en una red de tuberías de enfriamiento en un
sistema termodinámico) o controlar la presión del fluido (como en
los amplificadores hidráulicos).
La idea de describir el flujo del fluido en términos de componentes separados está
inspirado por el éxito de la teoría de circuitos eléctricos. Al igual que la teoría de
circuitos eléctricos funciona cuando son elementos separados y lineales, la teoría
de circuitos hidráulicos funciona mejor cuando los elementos (componentes
pasivos tales como tuberías o líneas de transmisión o componentes activos como
fuentes de alimentación o bombas) son discretos y lineales. Esto usualmente
significa que el análisis de circuitos hidráulicos funciona mejor para tubos largos y
delgados con bombas separadas, tal como se encuentran en los sistemas de flujo
de procesos químicos o dispositivos de micro escala.
LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS
Todos los circuitos hidráulicos son esencialmente iguales no importa que
aplicación se les dé. Muchas máquinas se basan en el accionamiento hidráulico,
equipos como grúas, excavadoras, elevadores, monta-carga e incluso robots usan
este tipo de accionamiento debido principalmente a las razones siguientes:
1. Pueden generarse colosales fuerzas utilizando pequeños motores de
accionamiento.
2. Los sistemas hidráulicos son muy duraderos y seguros.
3. Puede regularse la velocidad de accionamiento de forma continua o
escalonada, sin la necesidad de mecanismos adicionales.
4. Un mismo motor puede accionar múltiples mecanismos de fuerza, incluso de
manera simultánea.
5. El motor y los mecanismos de fuerza así como los mandos pueden estar a
distancia acoplados por tubos.
6. Pueden lograrse movimiento muy exacto.
7. Tienen auto frenado.
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El fluido más comúnmente utilizado es algún aceite ligero derivado del petróleo
debido a su innata cualidad lubricante que alarga la vida de las piezas en
rozamiento del sistema.
Estos aceites deben tener las características básicas siguientes:
1. Una viscosidad no muy alta y esta debe modificarse poco con la temperatura.
2. Elevada resistencia a la formación de espuma.
3. Elevada estabilidad con el tiempo.
4. No deben ser agresivos a los materiales de goma, como mangueras y
empaquetaduras.
5. Mientras más capacidad lubricante mejor.
El circuito comprende de los siguientes elementos:
Componentes activos
Unidades de alimentación
Líneas de Transmisión
Mangueras Hidráulicas
Componentes pasivos
Cilindros hidráulicos
Una corriente eléctrica es un flujo de electrones a través de un material conductor
(como un alambre de cobre). Como no podemos ver los electrones, ayuda tener
un modelo o analogía de los circuíots eléctricos para ayudarnos a entender mejor
los circuitos.
El agua que fluye a través de tuberías es un buen sistema mecánico que se
parece mucho a un circuito eléctrico. Este sistema mecánico consiste en una
bomba que impulsa el agua a través de una tubería cerrada. Imagina que la
corriente eléctrica es similar al agua que atraviesa una tubería. Las siguientes
partes de los dos sistemas están relacionadas:
La tubería es la contraparte del conductor en un circuito eléctrico
La bomba es la contraparte mecánica de la batería.
La presión generada por la bomba, que conduce agua a través de la
tubería, es como el voltaje generado por la batería para llevar electrones a
través de un circuito.
Los caracoles bloquean la tubería y detienen el flujo del agua, creando una
diferencia de presión de un extremo al otro. De forma similar, la resistencia en el
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circuito eléctrico se opone al flujo de electricidad y crea una caída de voltaje de un
extremo al otro. La energía se pierde a través de la resistencia en forma de calor.
La energía en el circuito es el voltaje multiplicado por la corriente. La misma
energía se puede llevar por alto voltaje y poca intensidad de corriente que por bajo
voltaje tensión y alta intensidad de corriente. Sin embargo, cuanto más alto es el
flujo de corriente, más energía se pierde a través del calentamiento de los
alambres. Esta es la razón por la cual se usa alto voltaje y poca intensidad de
corriente al transportar energía eléctrica por las líneas eléctricas.
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FORMACIÓN DE PRESIÓN HIDRÁULICA
Presión de formación (Pf)
Es la presión que ejercen los fluidos en los poros de las rocas. Llamados también,
presión de poro, de yacimiento, de roca y de fondo. Las presiones de formación se
clasifican en: normales, subnormales, y anormales, dependiendo de la densidad
del lodo requerido para controlarlas.
Las formaciones con presión normal, son aquellas que se pueden controlar con
una densidad del orden de la del agua salada. Esta presión es originada por un
yacimiento abierto. Se tiene que en la costa del Golfo de México, hay un gradiente
de presión normal de formación de 0.107 Kg/cm2/m, correspondiéndole a la
presión que ejerce una columna de agua salada de 1.07 gr/cm3, con una salinidad
aproximadamente de 80,000 p.p.m. de cloruros.
Las formaciones con presiones anormales, son aquellas que se pueden controlar
con densidades mayores de 1.07 gr/cm3. Algunos consideran que las formaciones
con presiones anormales, son depósitos o yacimientos cerrados no conectados a
la superficie. Los depósitos de este tipo generalmente se encuentran asociados
con gruesas formaciones de sedimentos arriba y abajo. Generalmente se cree que
el agua exprimida fuera de los sedimentos debido al peso de las rocas se puede
acumular en las zonas de arenas más permeables y si se atrapan crearán
presiones excesivas. Es decir, que estas presiones se generan usualmente por la
compresión que sufren los fluidos de la formación (o las lutitas adyacentes) debido
al peso de los estratos supra yacentes. Sí la formación está completamente
sellada, los fluidos no pueden escapar, soportando éstos, parte de la presión de
sobrecarga.
Presión hidrostática (Ph)
Es la presión ejercida por el peso de una columna de fluido, en función de la
densidad del fluido y longitud de la columna del mismo.
Para su cálculo en el pozo se aplican las siguientes formulas:
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a) En pozos verticales.
Dónde:
Ph = Presión hidrostática, en Kg/cm2.
Dl = Densidad del fluido o lodo, en gr/cm3
Prof = Profundidad o longitud de la columna de fluido, en m.
b) En pozos direccionales.
Dónde:
P.V.V = Profundidad vertical verdadera o real, en m.
Dl = Densidad del fluido o lodo, en gr/cm3
El uso de esta profundidad, se debe a que el peso, hablando físicamente, es una
fuerza con que los cuerpos son atraídos (dirección vertical) hacia el centro de la
tierra.
LOS FLUIDOS
El aceite o fluido hidráulico es un líquido transmisor de potencia que se utiliza para
transformar, controlar y transmitir los esfuerzos mecánicos a través de una
variación de presión o de flujo.
Generalmente los fluidos hidráulicos son usados en transmisiones automáticas de
automóviles, frenos; vehículos para levantar cargas; tractores; niveladoras;
maquinaria industrial; y aviones. Algunos fluidos hidráulicos son producidos de
petróleo crudo y otros son manufacturados.
Un fluido hidráulico de base petróleo usado en un sistema hidráulico industrial
cumple muchas funciones críticas. Debe servir no sólo como un medio para la
transmisión de energía, sino como lubricante, sellador, y medio de transferencia
térmica. Además debe de maximizar la potencia y eficiencia minimizando el
desgaste del equipo.
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Propiedades de los fluidos hidráulicos
Viscosidad apropiada
Variación mínima de viscosidad con la
temperatura
Estabilidad frente al cizallamiento
Baja compresibilidad
Buen poder lubricante
Inerte frente a los materiales de juntas y
tubos
Buena resistencia a la oxidación
Estabilidad térmica e hidrolítica
Características anticorrosivas
Propiedades antiespumante
Buena des-emulsibilidad
Ausencia de acción nociva
Las características de los fluidos hidráulicos tienen la mayor influencia en el
rendimiento y duración de cualquier sistema hidráulico pues resulta primordial
utilizar fluidos limpios y de alta calidad para lograr un funcionamiento eficiente del
sistema.
En la búsqueda de ese rendimiento óptimo se han utilizado varios tipos de fluidos
a lo largo de la historia, los cuales van desde el agua hasta los modernos
compuestos cuidadosamente preparados que además de poseer un fluido base
contienen aditivos especiales que ayudan a obtener fluidos hidráulicos con las
características necesarias para cumplir una tarea específica.
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CONDUCTOS DE RETORNO
Acondicionadores del aceite Son dispositivos que nos permiten mantener el aceite
en unas condiciones de limpieza adecuadas al uso de los elementos de la
instalación, de tal manera, que alarga la vida de ésta. Estos elementos son:
Filtro: Es el encargado de retirar del aceite las partículas sólidas en suspensión
(trozos de metal, plásticos, etc.) El aceite puede filtrarse en cualquier punto del
sistema. En muchos sistemas hidráulicos, el aceite es filtrado antes de que entre a
la válvula de control. Para hacer esto se requiere un filtro más o menos grande
que pueda soportar la presión total de la línea. Colocado el filtro en la línea de
retorno tiene también sus ventajas.
Unas de las mayores es su habilidad de atrapar materiales que entran al sistema
desde los cilindros. El sistema impedirá que entre suciedad a la bomba. Esto es
verdad siempre que no se agreguen materias extrañas al tanque, Cualquiera de
los dos tipos de filtro en las tuberías debe equiparse con una válvula de
derivación.
MEDIDORES
MEDIDORES DE CAUDAL EN TUBERÍAS
Los fluidos están presentes en la mayoría de los procesos industriales, ya sea
porque intervienen en forma directa en el proceso de producción o porque
pertenecen a los circuitos secundarios necesarios. Sea por la razón que sea, los
fluidos están ahí y, por tanto, hay que controlarlos, para lo que es necesario saber
en todo momento cuáles son las principales características de los fluidos, que
pueden variar mucho de una aplicación a otra. En el mercado existe una gran
variedad de medidores, tanto desde el punto de vista de tamaños y rangos de
operación como de principios de funcionamiento. Esto es debido a que se intenta
conseguir la máxima precisión para la mayor cantidad de aplicaciones.
Los medidores a tratar en este artículo, se utilizan para estimar el gasto en
determinada sección de la tubería, y se clasificaran como; medidores volumétricos
y másicos, teniendo en cuenta que ambos pueden servir para la misma aplicación,
ya que volumen y masa son proporcional entre sí.
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
El principio de funcionamiento es el fenómeno físico en que se basa el medidor, y
es una característica de diseño. Para los medidores de caudal volumétricos, los
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principales sistemas son presión diferencial, área variable, velocidad, tensión
inducida , desplazamiento positivo y vórtice. Para los másicos se deben destacar
el sistema térmico y el sistema basado en la fuerza de Coriolis.
Presión diferencial
La fórmula para el caudal para este tipo de funcionamiento se deduce de la
aplicación del teorema de Bernouilli. Este teorema relaciona la energía cinética, la
potencial y la presión de un fluido en diferentes puntos de la vena fluida. Mediante
la interposición de un Diafragma , una Tobera, un tubo Venturi, un tubo Pitot o un
tubo Annubar, se puede relacionar el cambio de velocidad y presión que
experimenta el fluido con el caudal.
DIAFRAGMA: Consiste en una placa con un orificio que se interpone en la tubería.
Como resultado de esta obstrucción existe una pérdida de carga, que es la que se
mide por comparación con una sonda aguas arriba y otra aguas debajo de la
instalación. Este tipo de medidor es utilizado en tuberías donde se permita una
gran pérdida de energía. El cambio de área que se genera al colocar el diafragma,
provoca un estrangulamiento de la sección, lo que da lugar a un cambio de
presiones antes y después del diafragma, cuyo valor determina el gasto en la
sección.
Utilizados en tuberías donde se permita una gran pérdida de energía para efectuar
el aforo.
TOBERAS: En este medidor al igual que en el diafragma, se dispone de una toma
de presión anterior y otra posterior, de manera que se puede medir la presión
diferencial. La tobera permite caudales muy superiores a los que permite el
diafragma (del orden de 60% superiores). Se utilizan en el caso de tuberías con
diámetros mayores de 30cm.
VENTURI: La función básica de este medidor consiste en producir un
estrangulamiento en la sección transversal de la tubería, el cual modifica las
presiones, con la medición de este cambio es posible conocer el gasto que circula
por la sección, el estrangulamiento de esta es muy brusco, pero la ampliación
hasta la sección original es gradual. Generalmente es una pieza fundida que
consta de (1) una porción aguas arriba, la cual tiene el mismo tamaño de la
tubería, tiene un revestimiento en bronce y contiene un anillo piezométrico para
medir la presión estática; (2) en una región cónica convergente, (3) una garganta
cilíndrica con un revestimiento en bronce que contiene un anillo piezométrico y (4)
una región cónica gradualmente divergente que desemboca en una sección
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cilíndrica del tamaño de la tubería. Un manómetro diferencial conecta los dos
anillos piezométricos. El precio de este se dispara, pudiendo llegar a un costo 20
veces superior a un diafragma. Para obtener resultados acertados este medidor
debe ser precedido de una tubería recta con una longitud de por lo menos 10
diámetros.
Figura 1. Medidor venturi.
AFORADOR DE CODO:
Es uno de los medidores de caudal mas simple, las aberturas piezométricas en el
lado interno y externo del codo se conectan a un manómetro diferencial. Debido a
la fuerza centrífuga en la curva, la diferencia de presiones está relacionada con el
caudal. Una longitud recta de apaciguamiento debe preceder el codo, y para
resultados mas exactos el medidor debería calibrarse in situ. Debido a que la
mayoría de las tuberías tienen un codo este puede utilizarse como medidor.
Después de la calibración los resultados son tan confiables como los obtenidos
con los dispositivos anteriormente mencionados.
PITOT:
Mide la velocidad del flujo en un punto del fluido, consta de un hueco alineado con
el flujo que se aproxima y está cerrado por uno de sus extremos con un tapón
redondo que tiene un pequeño orificio en la línea central del tubo. El fluido dentro
del tubo Pitot es estacionario, en tanto que el que se aproxima fluye alrededor de
este. Una partícula de fluido que se mueve a lo largo de la línea de corriente, que
coincide con el eje del tubo Pitot, alcanza el reposo al acercarse a la punta del
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tubo Pitot (S), debido a que debe dividirse y pasar por ambos lados del tubo. Al
entrar momentáneamente en reposo, la presión del fluido se eleva a un valorPs el
cual se conoce como presión de estancamiento y se relaciona con la velocidad del
tubo corriente arriba. La presión del flujo estacionario en el interior del tubo Pitot es
igual a la presión de estancamiento del flujo externo con el que está en contacto a
través del pequeño orificio localizado en el punto de estancamiento S del tubo.
Figura 2. Tubo pitot.
ANNUBAR: Es una mejora del tubo pitot, y se basa en medir la presión estática y
la total. Con la diferencia que se obtiene la velocidad del fluido, y conociendo la
sección se obtiene el caudal.
Los Diafragmas, Toberas, y los tubos venturi se basan en cambiar el perfil de la
vena fluida y, por consiguiente, su velocidad y presión; en cambio tanto los tubos
Pitot como los Annubar se basan en introducir un sensor dentro de la tubería,
intentando que no afecten la vena fluida.
Los medidores de caudal de área variable se deben instalar verticalmente. Su
principio de funcionamiento se basa en un flotador que cambia de posición dentro
de un tubo de área variable. El área del tubo es pequeña en la parte inferior y va
aumentando hasta alcanzar la mayor sección en la parte superior.
El flotador, sólido, tiende a bajar debido a la fuerza de gravedad (su peso) y el
fluido, que circula de abajo hacia arriba, tiende a levantarlo debido a la fuerza de
arrastre de este. Además de la fuerza de arrastre, existe una fuerza que ejerce el
fluido sobre el flotador, que es igual al peso del volumen del fluido que desaloja. El
flotador queda en la posición de equilibrio de fuerzas, indicando en el tubo el
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caudal del fluido que pasa. El tubo debe estar convenientemente graduado,
además de permitir la visualización del flotador. El tubo se puede graduar teniendo
en cuenta que la fuerza de arrastre depende de la velocidad del fluido, y una vez
se conoce esta, se puede obtener el caudal. Como se puede intuir, la fuerza de
arrastre depende de la viscosidad del fluido. La medida puede ser directa al estar
la escala graduada en el tubo, pero también existen modelos en los que el flotador
da una señal en función de su posición, y se puede utilizar esta para extraer la
medida en otra escala graduada, o bien para acondicionar la señal y adecuarla
para un bus de campo o bien transmitirla a un regulador. El medidor mas
representativo de esta clase es el rotametro, el cual opera con el mecanismo
anteriormente descrito.
Figura 3. Rotámetro
Principalmente existen tres elementos para caudalímetros que basan su principio
de funcionamiento en la velocidad del fluido: Los vertederos (para canales
abiertos), las turbinas y las sondas ultrasónicas. Los primeros, en este artículo no
serán de mucho interés, los medidores de caudal tipo turbina se basan en un rotor
que gira a una velocidad proporcional al caudal
del fluido que pasa. Para obtener la velocidad de giro del rotor se pueden utilizar
dos técnicas. La primera de ellas consiste en la variación de la reluctancia que
experimenta un circuito magnético exterior al paso de cada una de las palas del
rotor. Dentro del grupo de los medidores rotativos, destacan el cicloidal, el birrotor
y eloval.
Los cicloidales consisten en dos lóbulos engranados entre sí que giran en
direcciones opuestas y desplazando un volumen fijo de fluido en cada revolución.
El sistema birrotor consta de dos rotores sin contacto mecánico entre sí que giran
sincronizados gracias a un acoplamiento con engranajes externo a la cámara por
donde pasa el fluido (donde están los dos rotores). El desgaste mecánico es
mínimo por no existir contacto entre los dos rotores y porque estos están
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equilibrados estática y dinámicamente. Además, se apoyan en rodamientos de
bola de acero inoxidable. Su aplicación principal es la medición de caudales de
productos petrolíferos. Los medidores ovales están formados por dos ruedas
ovales que engranan entre sí. Su movimiento de giro es debido a la presión
diferencial creada por el fluido.
Coriolis:
El teorema de Coriolis dice que la aceleración absoluta de un móvil es la
resultante de la relativa, la de arrastre y la de Coriolis. Los medidores de caudal
másico basados en este teorema son de dos tipos. El primer tipo consta de un
tubo en forma de el cual se hace vibrar perpendicularmente al sentido del
desplazamiento del flujo. Esta vibración controlada crea una fuerza de aceleración
en la tubería de entrada del fluido y una fuerza de deceleración en la de salida,
con lo que se genera un par que provoca la torsión del tubo, que es proporcional a
la masa instantánea del fluido circulante. El segundo tipo está formado por dos
tubos paralelos; estos se hacen vibrar de forma controlada a su frecuencia de
resonancia. Con los sensores adecuados (generalmente ópticos) se detecta la
fase de la vibración y con ella el caudal masa, ya que es proporcional. Cuando el
caudal masa es cero, la diferencia de fase también es nula. La gran ventaja de los
caudalímetros basados en la aceleración de coriolis es que son inmunes a
prácticamente todo: presión (tanto nominal como posibles pulsaciones),
temperatura (excepto variaciones bruscas), densidad, viscosidad, perfil del flujo, y
flujos multifase (con sólidos en suspensión). Un posible problema es la vibración,
que si no está controlada y no actúa en forma correcta sobre
los elementos preparados para tal fin, se puede transmitir a los tubos y,
consecuentemente, someterlos a un proceso de fatiga que conduciría a finalizar
con un deterioro prematuro.
Los medidores térmicos de caudal usan dos técnicas para la determinación del
caudal másico. La primera es la elevación de temperatura que experimenta el
fluido en su paso por un cuerpo caliente y la segunda es la pérdida de calor
experimentada por un cuerpo caliente inmerso en un fluido. Sea cual sea la
técnica que utilicen los caudalímetros térmicos, se basan en la general
insensibilidad de los fluidos a la variación de su calor específico en función de la
presión y de la temperatura, es decir, el calor específico de los fluidos se puede
considerar prácticamente independiente de la presión y de la temperatura.
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Según la primera ley de la termodinámica, la pérdida de calor del fluido (q) es
proporcional al caudal másico (m), al calor específico (cp) y al salto térmico
( T): q = m * cp * T
Si se conoce el fluido, se sabe su calor específico, el salto térmico se puede medir
mediante sensores y el calor cedido es el aportado externamente para poder
realizar la medición. Solo queda el caudal másico como incógnita y por tanto, se
puede calcular.
Actualmente en el mercado existen una gran variedad de medidores los cuales
tienen diversos principios de funcionamiento, como también diversos tipos de usos
por lo tanto de acuerdo a las necesidades se seleccionara determinado medidor.
Figura 4. Diversos medidores.
A continuación se mostrará una lista de algunos medidores que actualmente se
pueden conseguir en el mercado, a excepción de los medidores tradicionales,
mencionados anteriormente.
Sensor de caudal con ruedas de paleta: se utiliza cuando los datos sobre el
caudal deben trasmitirse como salida de impulsos. este sensor contiene un
transductor que trasmite una señal de 0-100Hz. La señal de la salida es
linealmente proporcional al caudal. Este medidor funciona en medios como: el
agua y líquidos de baja viscosidad
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Figura 5. sensor de caudal con ruedas de paleta.
Sensor de caudal de turbina: La alta precisión es la característica principal de
este sensor. Mide con precisión el caudal de los líquidos transparentes sobre una
amplia gama de caudales. Este medidor puede instalarse en cualquier orientación
deseada siempre y cuando se tenga cuidado de mantener el medidor lleno de
líquido. El movimiento del líquido a través del medidor provoca la rotación de la
turbina. Un sensor de proximidad externo detecta la rotación de la turbina
sondeando el movimiento de las partículas. La rotación de la turbina es lineal con
respecto al caudal. La pantalla y módulo de control convierten la señal del impulso
en un número visualizado, este medidor presenta una tolerancia en cuanto a
viscosidad a la de fluidos similares al agua.
Figura 6. Sensor de caudal de turbina.
Medidor de caudal con fuelles de paleta: este tipo de disposición es ideal para
utilizarse en aplicaciones donde la suciedad y los contaminantes de granos sólidos
son una gran preocupación. Este dispositivo opera de la siguiente forma: el caudal
provoca que la paleta (1) sea desviada en la dirección del caudal contra la fuerza
de un resorte (2). Un fuelle (3) fabricado de bronce (o de preferencia acero
inoxidable), aísla en forma hermética el medio de la sección de medición. El
movimiento de la paleta (1) se transmite directamente a un indicador (4) , este
indica el caudal o la trasmite a un condicionador de señales. Un microinterruptor
(6) y una lámpara indicadora (7) se activan cuando se alcanza el punto de
referencia. La lámpara se acciona cuando el caudal está por debajo del punto de
referencia. Las unidades están disponibles para instalación en línea de tuberías ya
sea con extremos roscados o bridados.
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Figura 7. Medidor de caudal con fuelles de paleta.
Medidor de caudal magnético: es utilizado en el análisis de líquidos difíciles y
fangos, este medidor es un tubo hueco forrado con varios eléctrodos periféricos
metálicos. puesto que los eléctrodos sobresalen de manera insignificante en las
paredes de la tubería del medidor, el medidor está casi totalmente libre en su
interior, esto ayuda a hacer que este medidor sea adecuado para líquidos que
varían desde lodos de alcantarilla hasta una gran variedad de aplicaciones
químicas.
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Figura 8. Medidor de caudal magnético.
Sensor de caudal térmico compacto: utiliza el principio calorimétrico para
monitorear en forma continua el caudal tanto de medios viscosos como de no
viscosos. La velocidad del caudal se transmite por medio de una salida mientras
que un interruptor opcional proporciona la función de alarma. La capacidad de
transmisión se hace posible gracias al alto grado de estabilidad de temperatura
proporcionado por su diseño. La integración de las funciones de calefacción y
medición permite a la sonda estar estructurada en una superficie sencilla, continua
y libre de salientes. La ausencia de salientes evita que los contaminantes se
acumulen en la punta de la sonda.
Figura 9. Medidor de caudal térmico compacto.
Medidor de caudal bridado: este dispositivo funciona con el principio de área
variable, es ideal para aplicaciones difíciles en las que se requiera una operación a
alta presión o una pérdida de baja presión. Su diseño está disponible en acero. En
la configuración estándar es un medidor puramente mecánico.
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Figura 10. Medidor de caudal bridado.
Medidor de caudal de presión diferencial: estos medidores están diseñados
para aplicaciones en ambientes difíciles, la falta de sensibilidad ante campos
magnéticos y la capacidad de resistir grandes presiones excesivas sin daños, se
combinan para hacer de este un instrumento resistente. Es de fácil uso, fácil
lectura y fácil mantenimiento, se puede utilizar en tuberías horizontales o
verticales. Este dispositivo determina el caudal mediante la medición de la pérdida
de presión a través de un orificio calibrado.
Figura 11. Medidor de caudal de presión diferencial.
Medidor de caudal de masa electrónico: mide caudales de gas, en contraste
con la mayoría de otros dispositivos de dosificación de caudal volumétrico, este
medidor no necesita corrección de presión o temperatura. Esto hace que la unidad
sea ideal para una amplia variedad de aplicaciones de caudal de gas, incluyendo
el control de procesos generales, el caudal en sistemas de vacío, la prueba de
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fugas, y la calibración del caudal. Se encuentra disponible en aluminio o acero
inoxidable, con o sin una pantalla digital.
Figura 12. Medidor de caudal de masa electrónico.
Totalizador mecánico: este se puede ser muy funcional en las aplicaciones de
dosificación que impliquen agua con temperaturas de 35ºF a 194ºF . el indicador
estilo contador con rotación de 360º y un mecanismo acoplado magnéticamente
ofrece una solución confiable. Se utiliza para control de dosificación en planta,
monitoreo de filtros, sistemas de irrigación, maquinaria industrial.
Figura 13. Totalizador mecánico.
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DESARROLLO DE CIRCUITOS
Una de las necesidades de los diferentes procesos
tanto en la mediana o pequeña industria es la
automatización de los mismos en los que requieren
de diferentes forma de realizarlos dando paso al
uso de distintos accesorios y elementos
fundamentales para poder hacerlos realidad a
continuación se presentaran ejemplos en los que se
enumeran algunos y además se verá su
funcionamiento.
Ejemplo.
1.- Descripción.
Se necesita un proceso automático de dos cilindros de doble efecto donde su
funcionamiento sea de forma secuencial, donde se requiere también válvulas anti
retorno pilotada para asegurar el regreso de los actuadores y además la seguridad
de que como se trabaja con fuerza no exista mayor peligro para las personas que
estén utilizando este proceso, presentando principalmente el diseño así como su
respectiva simulación para su previa verificación dando paso luego a su
instalación o construcción.
2.-Diseño(hidráulico).
3.- Diseño (Eléctrico).
4.-Elementos utilizados.
Depósito o Tanque. La función natural de un tanque hidráulico es:
Contener o almacenar el fluido de un sistema hidráulico
Evacuar el calor
Sedimentación
Separación del aire
Separación del agua
Cuando el fluido regresa al tanque, una placa deflectora bloquea el fluido de
retorno para impedir su llegada directamente a la línea de succión. Así se produce
una zona tranquila, la cual permite sedimentarse a las partículas grandes de
suciedad, que el aire alcance la superficie del fluido y da oportunidad de que el
calor se disipe hacia las paredes del tanque.
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La desviación del fluido es un aspecto muy importante en la adecuada operación
del tanque. Por esta razón, todas las líneas que regresan fluido al tanque deben
colocarse por debajo del nivel del fluido y en el lado de la placa deflectora opuesto
al de la línea de succión.
Tapa de llenado - Mantiene los contaminantes fuera
de la abertura usada para llenar y añadir aceite al
tanque. En los tanques presurizados la tapa de
llenado mantiene hermético el sistema. Mirilla -
Permite revisar el nivel de aceite del tanque
hidráulico. El nivel de aceite debe revisarse cuando
el aceite está frío. Si el aceite está en un nivel a
mitad de la mirilla, indica que el nivel de aceite es
correcto. Tuberías de suministro y retorno - La
tubería de suministro permite que el aceite fluya del
tanque al sistema. La tubería de retorno permite que
el aceite fluya del sistema al tanque. Drenaje -
Ubicado en el punto más bajo del tanque, el drenaje
permite sacar el aceite en la operación de cambio de
aceite. El drenaje también permite retirar del aceite
contaminante como el agua y sedimentos
Banco Hidráulico de Pruebas (Laboratorios de Hidráulica de la U.P.S).
Parte Hidráulica.
Parte Eléctrica.
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Electro Válvula con Posición Inicial Tipo Tandem.
Aquí, en la posición central de la válvula direccional, se bloquean las conexiones
de trabajo, por lo tanto el sistema no puede ser movido manualmente.
Por otro lado, las conexiones de presión y tanque, están comunicadas, lo que
permite que la bomba en esta posición descargue directamente al depósito y a
baja presión.
La reacción del sistema, cuando se ubica en una posición de trabajo es por lo
tanto más lenta que en el caso anterior.
Válvulas de Doble Pilotaje.
Permite el bloqueo en dos sentidos de un receptor de doble efecto.
Construida por dos válvulas anti retorno pilotadas.
Válvulas Secuenciales
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Una válvula de secuencia tiene por función, luego de alcanzar cierta presión
entregar una señal de salida. Esta señal de salida puede estar dentro del campo
de las presiones bajas o normales, y también puede ser eléctrica. La presión de
respuesta de una válvula de secuencia, generalmente es regulable.
5.-Simulacion:
Para realizar la simulación tenemos que contar con el programa FluidSIM
6.- Instalación:
Como se puede diferenciar el funcionamiento tanto en la simulación como en la
instalación misma ya del circuito, en donde podemos verificar que mediante el
mando eléctrico y una válvula 4/3 (TIPO TANDEM ) que la misma no permite el
trabajo directo de la bomba si no en el momento en que esta sea accionada
enviamos presión a la entrada del primer cilindro de doble efecto que causara
obviamente el trabajo de salida, una vez cumplida su carrera el flujo continuara y
se guiara hacia la válvula secuencial 1 en donde al incrementar su presión esta se
abrirá y dar paso al flujo que como se puede ver hará que la misma accione el
cilindro de doble efecto 2, teniendo como consecuencia un proceso en secuencia,
de la misma forma para el retorno teniendo en cuenta que las presiones en las
válvulas de secuencia son reguladas para poder tener este tipo trabajo o
funcionamiento.
Desarrollo de circuitos típicos hidráulicos
Es la aplicación de la mecánica de fluidos en ingeniería, para construir dispositivos
que funcionan con líquidos, por lo general agua o aceite. La hidráulica resuelve
problemas como el flujo de fluidos por conductos o canales abiertos y el diseño de
presas de embalse, bombas y turbinas. En otros dispositivos como boquillas,
válvulas, surtidores y medidores se encarga del control y utilización de líquidos.
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Las dos aplicaciones más importantes de la hidráulica se centran en el diseño de
activadores y prensas. Su fundamento es el principio de Pascal, que establece
que la presión aplicada en un punto de un fluido se transmite con la misma
intensidad a cada punto del mismo.
Como la fuerza es igual a la presión multiplicada por la superficie, la fuerza se
amplifica mucho si se aplica a un fluido encerrado entre dos pistones de área
diferente. Si, por ejemplo, un pistón tiene un área de 1 y el otro de 10, al aplicar
una fuerza de 1 al pistón pequeño se ejerce una presión de 1, que tendrá como
resultado una fuerza de 10 en el pistón grande.
Este fenómeno mecánico se aprovecha en activadores hidráulicos como los
utilizados en los frenos de un automóvil, donde una fuerza relativamente pequeña
aplicada al pedal se multiplica para transmitir una fuerza grande a la zapata del
freno.
Los alerones de control de los aviones también se activan con sistemas
hidráulicos similares. Los gatos y elevadores hidráulicos se utilizan para levantar
vehículos en los talleres y para elevar cargas pesadas en la industria de la
construcción.
EL ANÁLISIS DEL PROBLEMA
En el análisis se busca fundamentalmente descubrir
el tamaño de la bomba o ventilador (presión y
caudal) necesario para que pueda con las pérdidas
por fricción en; tuberías, conductos, elementos
(intercambiadores) y accesorios. Nota: En el caso
de redes termo hidráulicas (cuyo cometido es
transmitir potencia térmica) son redes en bucle
cerrado y por lo tanto no hay que elevar el fluido –
tan sólo durante le proceso de llenado pero para
ello suelen haber sistemas especiales-.
Para las pérdidas de presión por fricción se puede
usar la expresión del factor de fricción de Darcy
(expresado en altura de fluido).
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PLANO DE SITUACIÓN
Hace 100 años, el agua era el único fluido transportado en tuberías de un punto a
otro. Actualmente se trasladan todo tipo de fluidos a través de tuberías. La
hidráulica y los mecanismos hidráulicos, ya no solo se preocupa del transporte de
fluidos, si no que se usan frecuentemente para el control de aeronaves,
embarcaciones, equipo automotriz, maquinas herramientas, equipo de
movilización de tierra y construcción de carreteras, entre otros. Sus aplicaciones
son variadas y muchas, siendo muy importante comprenderlas, y analizarlas para
nuestro beneficio.
Con el transcurso del tiempo los sistemas que hacen uso de fluidos para
funcionar, se han ido perfeccionando, hasta llegar al avance que tenemos hoy en
día.
ECUACIÓN DE MOVIMIENTO
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Válvulas hidráulicas de vías o distribuidoras
Como ya se comentó, estas válvulas son los componentes que
determinan el camino que ha de tomar la corriente de aire.
Principalmente utilizadas para la puesta en marcha, paro y
sentido de paso. Son válvulas de varios orificios (vías) los cuales
determinan el camino que debe seguir el aire comprimido. Las
válvulas distribuidoras más usadas habitualmente, desde un
punto de vista funcional, son las que a continuación se exponen.
VÁLVULAS DE VÍAS 2/2
Las válvulas de 2 vías y 2 posiciones, suelen utilizarse como llaves de paso.
Cuando están en la posición abierta, los orificios de entrada y de salida se
comunican, de modo que el aire comprimido circula libremente en los dos
sentidos.
Las aplicaciones en circuitos neumáticos, dado su funcionamiento, se limitan al
control de motores y sopladores neumáticos. También pueden utilizarse como
válvulas de paro, acopladas en las proximidades de las tomas de aire comprimido
de cilindros neumáticos. Pero debido a la inercia del flujo de aire y a la
compresibilidad del mismo, es muy complicado realizar el paro instantáneo de un
cilindro en una posición intermedia de su carrera, con precisión.
Ejemplo: Válvula 2/2 Normalmente Cerrada (N.C) Pilotaje Manual
VÁLVULAS DE VÍAS 4/2
Las válvulas de 4 vías y 2 posiciones son utilizadas habitualmente para el control
del funcionamiento de cilindros de doble efecto. Pos su construcción, permiten que
el flujo de aire circule en dos direcciones por posición, lo que implica poder
controlar dos cámaras (émbolo y vástago) de un cilindro de doble efecto.
Ejemplo: Válvula 4/4 Posición 1-4. Pilotaje Manual
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VÁLVULAS DE VÍAS 5/2
Tiene las mismas funciones que la válvula 4 vías 2 posiciones. Tan sólo se
diferencia en la utilización de la quinta vía para realizar los escapes de las
cámaras de forma independiente. Cada cámara del cilindro tiene su escape.
Ejemplo: Válvula 5/2 Posición 1-2. Pilotajes Neumáticos
VÁLVULAS AUXILIARES
Las válvulas auxiliares son componentes que cumplen las más variadas funciones
en los circuitos neumáticos, en general asociadas al control de las secuencias.
Regulador de caudal unidireccional:
El control de la velocidad de desplazamiento de un cilindro se logra controlando el
flujo de aire o caudal que escapa del mismo. Estos componentes regulan el caudal
en una sola dirección del flujo, permitiendo el libre pasaje del aire en sentido
contrario.
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Para obtener regulaciones más precisas es conveniente instalar estos reguladores
lo más cerca posible del cilindro. Por tal motivo se han desarrollado los
reguladores de caudal para ser conectados directamente en el cilindro. Estos son
conocidos comercialmente con el nombre de reguladores tipo banjo, minimizando
conexionado y mano de obra de montaje.
REGULACIÓN DE CAUDAL
Válvula reguladora de caudal
Las válvulas reguladoras de caudal permiten controlar la velocidad de avance o
retroceso de un cilindro.Cada reguladora de caudal sólo regula la velocidad en un
sentido.
El aire puede circular por la estrangulación o por el antirretorno, cuando el
antirretorno le deje paso libre circulará a la misma velocidad que en el resto del
circuito, sin embargo, cuando el antirretorno le corte el paso el único camino que le
quedará será la estrangulación y por lo tanto disminuirá su velocidad.
A continuación se presentan la simbología de
representación y el principio de funcionamiento de
la válvula reguladora de caudal. Podrás simular su
funcionamiento regulando el paso de la válvula con
los botones de giro dcha. e izqda. para pulsar a
continuación las flechas de entrada de aire.
Las válvulas reguladoras de caudal deben colocarse lo más cercanas posible al
cilindro. En los cilindros de doble efecto siempre se debe regular la salida del aire
del cilindro ya sea al avance o al retroceso.
REGULACIÓN DE PRESIÓN
Un Manorreductor o válvula reductora de presión es un dispositivo que permite
reducir la presión de un fluido en una red. el más sencillo consiste en un
estrangulamiento en el conducto que produce una pérdida de carga o presión (ej.
válvula medio cerrada) para reducir la presión pero la presión final variará mucho
según la presión de entrada y el caudal. Si aumenta el flujo la presión bajara y si
se detiene la presión se igualara con la de alta presión.x
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ANTI RETORNO
Las válvulas antirretorno, también llamadas válvulas de
retención, válvulas uniflujo o válvulas check, tienen por
objetivo cerrar por completo el paso de un fluido en
circulación -bien sea gaseoso o líquido- en un sentido y
dejar paso libre en el contrario. Tiene la ventaja de un
recorrido mínimo del disco u obturador a la posición de
apertura total.
Se utilizan cuando se pretende mantener a presión una tubería en servicio y poner
en descarga la alimentación. El flujo del fluido que se dirige desde el orificio de
entrada hacia el de utilización tiene el paso libre, mientras que en el sentido
opuesto se encuentra bloqueado. También se las suele llamar válvulas
unidireccionales.
Las válvulas antirretorno son ampliamente utilizadas en tuberías conectadas a
sistemas de bombeo para evitar golpes de ariete, principalmente en la línea de
descarga de la bomba.
Actuadores hidráulicos
Los actuadores son todos aquellos dispositivos que nos sirven para llevar a cabo
las actividades físicas generando una fuerza a partir de líquidos, energía eléctrica,
etc. Los actuadores brindan una salida necesaria para un elemento de control, un
ejemplo de esta podría es una Válvula. Los actuadores son dispositivos capaces
de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa.
El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida
necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas.
Tipos de actuadores Para decidir que tipo de actuador se necesita utilizar entre la
diversidad de estos, se debe saber la acción que se quiere realizar y a la velocidad
se quiere realizar.
Existen cuatro tipos de sistemas de actuadores:
- Neumáticos.
- Hidráulicos. –
- Eléctricos.
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ACTUADORES CON DESPLAZAMIENTO LINEAL
De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos:
de Efecto simple y de acción doble. En el primer tipo se utiliza fuerza hidráulica
para empujar y una fuerza externa, diferente, para contraer. El segundo tipo se
emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones. El control de dirección
se lleva a cabo mediante un solenoide. En el interior poseen un resorte que
cambia su constante elástica con el paso de la corriente. Es decir, si circula
corriente por el pistón eléctrico este puede ser extendido fácilmente.
Cilindro de presión dinámica
Lleva la carga en la base del cilindro. Los costos de fabricación por lo general son
bajos ya que no hay partes que resbalen dentro del cilindro.
Cilindro de simple efecto
La barra esta solo en uno de los extremos del pistón, el cual se contrae mediante
resortes o por la misma gravedad. La carga puede colocarse solo en un extremo
del cilindro.
Cilindro de doble efecto
La carga puede colocarse en cualquiera de los lados del cilindro. Se genera un
impulso horizontal debido a la diferencia de presión entre los extremos del pistón
Cilindro telescópico
La barra de tipo tubo multietápico es empujada sucesivamente conforme se va
aplicando al cilindro aceite a presión. Se puede lograr una carrera relativamente
larga en comparación con la longitud del cilindro.
MOTORES HIDRÁULICOS
En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la presión.
Estos motores los podemos clasificar en dos grandes grupos: El primero es uno de
tipo rotatorio en el que los engranajes son accionados directamente por aceite a
presión, y el segundo, de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la
acción oscilatoria de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda debido a
su mayor eficiencia. A continuación se muestra la clasificación de este tipo de
motores
Motor de engranaje
Tipo rotatorio motor de veleta
Motor de hélice
Motor hidráulico Motor de leva excéntrica
Pistón axial
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Tipo oscilante Motor con eje inclinado
Motor de engranaje: El aceite a presión fluye desde la entrada que actúa sobre
la cara dentada de cada engranaje generando torque en la dirección de la
flecha. La estructura del motor es simple, por lo que es muy recomendable su
uso en operaciones a alta velocidad.
Motor con pistón eje inclinado
El aceite a presión que fluye desde la entrada empuja el pistón contra la brida y la
fuerza resultante en la dirección radial hace que el eje y el bloque del cilindro giren
en la dirección de la flecha. Este tipo de motor es muy conveniente para usos a
alta presión y a alta velocidad. Es posible modificar su capacidad al cambiar el
ángulo de inclinación del eje.
Motor oscilante con pistón axial
Tiene como función, el absorber un determinado volumen de fluido a presión y
devolverlo al circuito en el momento que éste lo precise.
CILINDRO HIDRÁULICO
Los cilindros hidráulicos (también llamados motores hidráulicos lineales)
son actuadores mecánicos que son usados para dar una fuerza a través de un recorrido lineal.
Los cilindros hidráulicos obtienen la energía de un fluido hidráulico presurizado, que es
típicamente algún tipo de aceite. El cilindro hidráulico consiste básicamente en dos piezas: un
cilindro barril y un pistón o émbolo móvil conectado a un vástago. El cilindro barril está cerrado
por los dos extremos, en uno está el fondo y en el otro, la cabeza por donde se introduce el
pistón, que tiene una perforación por donde sale el vástago. El pistón divide el interior del
cilindro en dos cámaras: la cámara inferior y la cámara del vástago. La presión
hidráulica actúa en el pistón para producir el movimiento lineal.
La fuerza máxima es función de la superficie activa del émbolo y de la presión máxima
admisible, donde:
F = P * A
Esta fuerza es constante desde el inicio hasta la finalización de la carrera. La velocidad
depende del caudal de fluido y de la superficie del pistón. Según la versión, el cilindro
puede realizar fuerzas de tracción y/o compresión.
De forma general los cilindros pueden ser clasificados en dos grupos:
de simple efecto.
de doble efecto.
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ESTRUCTURAS
Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser
clasificados de acuerdo con la forma de operación, funcionan en base a fluidos a
presión. Existen tres grandes grupos:
oscilación
Cilindro hidráulico
De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos:
de Efecto simple y de acción doble. En el primer tipo se utiliza fuerza hidráulica
para empujar y una fuerza externa, diferente, para contraer. El segundo tipo se
emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones. El control de dirección
se lleva a cabo mediante un solenoide que se muestra a continuación
En el interior poseen un resorte que cambia su constante elástica con el paso de
la corriente. Es decir, si circula corriente por el pistón eléctrico este puede ser
extendido fácilmente.
Cilindro de presión dinámica
Lleva la carga en la base del cilindro. Los costos de fabricación por lo general son
bajos ya que no hay partes que resbalen dentro del cilindro.
Cilindro de Efecto simple.
La barra esta solo en uno de los extremos del pistón, el cual se contrae mediante
resortes o por la misma gravedad. La carga puede colocarse solo en un extremo
del cilindro.
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Cilindro de Efecto doble.
La carga puede colocarse en cualquiera de los lados del cilindro. Se genera un
impulso horizontal debido a la diferencia de presión entre los extremos del pistón
Cilindro telescópico.
La barra de tipo tubo multietápico es empujada sucesivamente conforme se va
aplicando al cilindro aceite a presión. Se puede lograr una carrera relativamente
en comparación con la longitud del cilindro
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Fuente
Artículo: Bomba hidráulica. Disponible en: "es.wikipedia.org". Consultado: 21
de noviembre de 2011.
Artículo: Bombas. Disponible en: "html.rincondelvago.com". Consultado: 21 de
noviembre de 2011.
Artículo: Bombas y compresores. Disponible en: "www.monografias.com".
Consultado: 21 de noviembre de 2011.
Artículo: Tipos de bombas y herramientas. Disponible en: "www.arqhys.com".
Consultado: 21 de noviembre de 2011.
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Artículo: Bomba hidráulica. Disponible en: "sitioniche.nichese.com".
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Arcadio Ríos. Máquinas agrícolas, tracción animal e implementos
manuales. Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola. La Habana,
2011.
NEUMÁTICA E HIDRÁULICA INDUSTRIAL UNIVERSIDAD DE LOS ANGELES
Referencias:
danyfloca.googlepages.com/01.-Presionesdeformacin.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_hidrost%C3%A1tica
http://perso.gratisweb.com/grupopascal/FLUIDOS%20Profe/FLUIDOS%20Profe/C
arpeta%20unidad/Phidrostatica/index.htm
http://quipu.uni.edu.pe/OtrosWWW/webproof/acade/fipp/lucioc/Impulsion100.html
REFERENCIAS
Revista automática e instrumentación, Nº 280. articulo “Medidores de
caudal”. EPM.
Sotelo Avila, hidráulica aplicada
Fay James A, mecánica de fluidos, 1ª edición, editorial CECSA ,México
1996.
Streeter Victor L. Mecánica de fluidos, 9ª edición, Mc Graw Hill, 1999.
Sitios Web: Los sitios encontrados solo son lugares donde promocionan
ciertos medidores.
www.torbar.co.uk/
www.mccrometer.com/mc/
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