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Componentes de una Instalación Neumática Tecsup Agosto 2007

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ÍNDICE

1. Acondicionamiento de aire comprimido ....................................... 4 1.1. Calidad de aire comprimido ............................................... 4 1.2. Grados de calidad del aire comprimido............................ 6

2. Humedad de aire ............................................................................... 7 2.1. Humedad absoluta ............................................................... 8 2.2. Humedad de saturación ...................................................... 8 2.3. Humedad relativa............................................................... 10 2.4. Psicometría .......................................................................... 10

2.4.1. Determinación de la cantidad de agua condensada ................................................... 13

3. Acondicionamiento industrial ....................................................... 15 3.1. Tratamiento antes de la compresión ................................ 15 3.2. Tratamiento después de la compresión........................... 17

3.2.1. Post enfriadores............................................. 17 3.2.2. Filtros de línea............................................... 19 3.2.3. Tratamiento en las redes ................................ 22 3.2.4. Tipos de secados............................................ 22 3.2.5. Filtros ........................................................... 25 3.2.6. Reguladores de presión.................................. 29 3.2.7. Lubricación ................................................... 31

4. Equipos compuestos para tratamiento ......................................... 34 4.1. Unidades de mantenimiento............................................. 34 4.2. Cuidados en las unidades de mantenimiento ................ 36

5. Cilindros neumáticos ...................................................................... 36 5.1. Cilindros de simple efectos ............................................... 36

5.1.1. Cilindros de émbolo ...................................... 37 5.1.2. Cilindros de membrana ................................. 37 5.1.3. Cilindros de membrana arrollable .................. 38

5.2. Cilindros de doble efecto................................................... 39 5.2.1. Cilindros con amortiguación interna ............... 39

5.3. Cilindros especiales, de doble efecto ............................... 40 5.3.1. Cilindros con doble vástago ........................... 40 5.3.2. Cilindro tandem ............................................ 41 5.3.3. Cilindro multiposicional ................................ 41 5.3.4. Cilindro de impacto ....................................... 42 5.3.5. Cilindro de cable ........................................... 43 5.3.6. Cilindro con movimiento de giro .................... 43

5.4. Fijaciones.............................................................................. 44 5.5. Constitución de los cilindros:............................................ 44 5.6. Cálculos de un cilindro ...................................................... 46

5.6.1. Fuerzas del émbolo........................................ 46 5.7. Consumo de aire ................................................................. 51 5.8. Unidades de avance óleo-neumáticas.............................. 52

Tecsup Componentes de una Instalación Neumática Agosto 2007

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5.8.1. Unidades de avance con movimiento giratorio 54 6. Motores neumáticos ........................................................................ 54

6.1. Motor neumático y eléctrico: comparación..................... 56 6.2. Tipos de motores neumáticos ........................................... 57

6.2.1. Motores de émbolo ........................................57 6.2.2. Motor de láminas, paletas...............................58 6.2.3. Motor de turbina ...........................................59 6.2.4. Motor Gerotor ...............................................59 6.2.5. Características de los motores de aire

comprimido ..................................................59


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1. Acondicionamiento de aire comprimido

1.1. Calidad de aire comprimido

En la práctica se presentan muy a menudo casos en que la calidad del aire comprimido desempeña un papel primordial.

Las impurezas en forma de partículas de suciedad u óxido, residuos de aceite lubricante y humedad dan origen muchas veces a averías en las instalaciones neumáticas y al deterioro de los elementos neumáticos.

Mientras que la mayor separación del agua de condensación tiene lugar en el separador, después de la refrigeración, la separación fina, el filtrado y otros, tratamientos del aire comprimido se efectúan en el puesto de aplicación.

Los requisitos del aire comprimido en el punto de consumo, para el uso eficiente de un equipo, vienen definida por tres parámetros:

• Pureza del aire. • Presión. • Cantidad de lubricante.

La pureza del aire depende de:

• La cantidad del aire de aspiración. • Filtro de aspiración. • Tipo de compresor utilizado. • Mantenimiento del compresor. • Refrigerador posterior. • Sistema de distribución de aire (material, disposición, etc.).

El aire aspirado por un compresor, contiene una cantidad de agua función de la temperatura ambiente y de la humedad relativa.

También puede contener vapores químicos, que pueden ser ácidos y dañar al compresor y equipamientos posteriores. La única forma de remediar estas situaciones, es la de aspirar aire de otros ambientes menos contaminados.

Los filtros de aspiración de los compresores convencionales, no detienen partículas pequeñas, aerosoles, vapores ni gases. Por otra parte, el proceso, de compresión incrementa la concentración de contaminantes.


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Prácticamente todos los compresores, algunos más que otros, añaden partículas de desgaste, aceite y productos que degradan el aceite, a la corriente de aire. Las partículas sólidas en los sistemas de aire comprimido, varían en naturaleza, desde partículas de polvo y de humos, hasta partículas de herrumbre, de polvo de metal, etc. Tales contaminantes pueden estar en la red de tuberías, y bloquear debido a su tamaño, orificios de herramientas e instrumentos.

Aquellas partículas con más de 0,5 mm. de diámetros, pueden eliminarse por medio de filtros o tamices enrejillados de aceros o latón. Por término medio, los equipos mecánicos conectados y las líneas de aire, utilizan un filtro de expansión de 40 µm, que resulta bastante adecuado, aún cuando a veces pueden tolerarse valores más elevados.

El agua en forma de gotas o vapor, es el peor contaminante. Las gotas de agua pueden congelarse o emulsionar con el lubricante, manchando o coloreando los materiales de proceso en algunos casos, y obturando las líneas que alimentan a las herramientas, instrumentos, etc., en otros. Los productos de ruptura ácida, pueden atacar a las unidades de sellado, arandelas, etc.

El tamaño de las gotas de agua y aceite varía entre 0,001 y 3 µm. Los separadores mecánicos del tipo ciclónico, no son capaces de eliminar partículas inferiores a un µm.

El aceite, los lubricantes sintéticos y los productos de ruptura en forma de aceite líquido, pueden eliminarse mediante filtros coalescentes.

Las emulsiones de estas sustancias también pueden ser eliminadas mediante tales filtros. La absorción sobre el carbón activado, también es posible, aunque este medio se sature de aceite y necesite sustituciones periódicas.

Los aerosoles, son muchas gotitas líquidas que están en los sistemas de aire comprimido, y que son demasiado pequeñas como para que puedan ser eliminadas por los materiales ordinarios de filtración. Ahora bien, si estas gotitas se aglomeran dentro de otras grandes, ni que decir, podrán eliminarse con mayor facilidad.

De todos los contaminantes que puede llevar el aire comprimido, uno de los más comunes es el vapor de aceite, el cual necesita mucho más tiempo para condensar que el vapor de agua.

Sin embargo, bajo condiciones normales, la cantidad de vapor de aceite que puede llevar el aire es tan pequeña, que rara vez se intenta eliminar.

Por ejemplo, con aire a +21°C y presión afectiva de 7 bar, el contenido de vapor de un aceite para compresores de base hidrocarbonada


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(hidrocarburo), es menor de 0,02 p.pm (partes por millón), mientras que el contenido de aceite total es de 30 p.p.m.

En general, todos estos contaminantes pueden hacer que el aire sea transpirable y que precise de un tratamiento adicional, cuando el mismo se destine a máscaras, espacios confinados, etc.

El monóxido de carbono es el más peligroso de los contaminantes listados, el cual puede entrar al compresor como un producto de combustión, procedente tal vez del motor de la unidad compresora. Se elimina por conversión catalítica a dióxido de carbono, proceso que se ve negativamente afectado por el vapor de agua, de aquí que el aire deba ser seco.

En las industrias farmacéuticas, alimentación y bebidas, así como también en hospitales, es muy esencial que el aire esté exento de aceite y esterilizado. Esto puede lograrse calentando el aire durante un cierto tiempo, o utilizando filtros especiales que detengan bacterias, virus, etc. 1.2. Grados de calidad del aire comprimido

Tabla 1: Partículas sólidas

Clase Tamaño máximo

Admisible de las partículas µm

Concentración máxima Admisible de las

partículas Mg/m3

1 2 3 4

0,1 1 5

50

0,1 1 5

sin indicación

Tabla 2: Contenido de agua

Clase Punto de condensación 1 2 3

-20°C +2°C

+10°C

Otras exigencias mayores deben mencionarse expresamente.

Para el uso práctico, conviene clasificar la calidad del aire comprimido. Así, el usuario recibe indicaciones, de cómo debe acondicionar el aire comprimido para evitar daños en los elementos empleados ISO y también PNEUROP, como instancias de normalización internacional han delegado comisiones para elaborar normas adecuadas.


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Hasta ahora está más desarrollada la división en grados de calidad, con subdivisión según:

• Partículas sólidas. • Contenido de agua. • Contenido de aceite.

Esta división provisional queda reflejada en las tablas

Tabla 3: Contenido de aceite (hidrocarburos)

Clase Contenido máximo

admisible Mg/m3

1 2 3 4 5 6

Aire a presión, no lubricado 0,01 0,1 1,0 5

25

m3 en estado normal según ISO 554.

2. Humedad de aire

El aire atmosférico es una mezcla de gases, oxígeno, nitrógeno, argón, etc., y también vapor de agua. Parte de este vapor de agua se licua a medida que va enfriándose el aire por las tuberías, ocasionando daños en los elementos neumáticos como desgaste y oxidación.

1. Aire atmosférico

La proporción de humedad que contiene el aire atmosférico, es mayor o menor según el país, la localidad y las condiciones climatológicas.

La aptitud del aire para retener agua vaporizada está relacionada con la temperatura y la presión, pero principalmente con la primera admitiendo más vapor de agua cuando aumenta su temperatura. Un aire saturado (100% de humedad relativa) puede retener más humedad si aumenta la temperatura o desciende la presión, y por el contrario, desprende parte de su contenido de humedad si baja la temperatura o sube la presión.


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2. Aire comprimido

En los sistemas de aire comprimido, el aire aspirado por el compresor entra a la presión y la temperatura ambientes o atmosféricas, con su consiguiente humedad relativa. Entonces, se le comprime a una presión más alta que la atmosférica, este ciclo de compresión lleva consigo una elevación de temperatura y, como consecuencia, un calentamiento del aire hasta un grado tal que toda la humedad contenida en el mismo pasará por el compresor al ser aspirado. Se comprende por lo tanto, que este aire comprimido caliente que descarga el compresor y que lleva vapor de agua, al irse enfriando por radiación y convección en el depósito y tuberías de distribución, y descender su temperatura hasta igualar la temperatura ambiente que exista en el área de trabajo, condensará la mayor parte de este vapor en forma de gotas de agua, las cuales serán arrastradas por el mismo flujo de aire hacia los lugares de utilización.

2.1. Humedad absoluta

La humedad expresa la condición del aire con respecto a la cantidad del vapor de agua que contiene, luego humedad absoluta se refiere a la cantidad de vapor de agua contenido en una en un m3 de aire.

airede32m

aguadevaporde20gabh =

airede3m

aguadevaporde10gabh =

2.2. Humedad de saturación

La humedad de saturación es la máxima cantidad de vapor de agua que puede caber en una concreta cantidad de aire.

Ello significa que un volumen determinado de aire seco puede contener a una temperatura dada, cualquier cantidad de vapor de agua siempre que no supere un valor máximo, el valor de saturación. Como consecuencia, el peso del vapor de agua


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contenido en el aire para un volumen y temperatura referidos, podrá variar, desde cero hasta el máximo admisible.

Las unidades de la humedad de saturación, hs, es en g. De vapor de agua / m3 de aire, y se puede determinar en la figura:

Figura 2.2.1 Humedad de Saturación

Ejemplo:

Determinar la máxima cantidad de agua que puede contener 2 m3 / min de aire, a una temperatura de 40°C.

En la figura 2.2.1 con 40°C en la abscisa, determinamos en la ordenada, hs = 50 g / m3.

minaguadevdeg1003m

50gmin

32magua de cantidad =•=


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2.3. Humedad relativa

Para tener una visión inmediata del estado de humedad del aire se recurre a establecer una relación entre la humedad absoluta existente, hab, y el máximo valor de la humedad que el aire puede contener a la misma temperatura cuando dicho aire está satura hs. Se representa por hr, y se da en tanto por ciento:

Una humedad relativa del 100% denota que se trata de un ambiente saturado, es decir, en el que hab = hs.

Una humedad relativa del 0% testimonia que recurre un ambiente totalmente libre de humedad.

La humedad relativa del aire atmosférico puede ser determinada mediante una carta psicométrica, con la temperatura del bulbo seco y del bulbo húmedo. Ver figura 2.4.1.

Ejemplo:

Un m3 de aire a 25°C puede retener como máximo 24 g de v de agua / m3. Si retiene a las 24 g / m3 completos, entonces decimos que tiene 100% de humedad relativa.

%100100x3m/g24

3m/g24hr =

Si el mismo m3 de aire retiene sólo 12 g/m3, entonces tiene 50% de humedad relativa.

%50100x3m/g24

3m/g12hr =

2.4. Psicometría

Por psicometría se entiende todos aquellos procedimientos relacionados con la medida del contenido en vapor de agua que porta el aire, sea comprimido o no, aunque en términos generales, la psicometría puede referirse a cualquier vapor comprendido en cualquier gas, aquí nos referimos al sistema de agua/aire.

100•=s

abr hhh


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El vapor de agua está configurado por moléculas independientes de agua. Las distancias entre molécula y molécula son considerables y varían sin cesar debido al libre movimiento de las mismas.

La condensación se refiere al paso de vapor a líquido, implicando con ello una pérdida de energía denominada calor de condensación.

Figura 2.4.1 Gráfica Psicométrica

Unidades SI.

Mediante esta gráfica psicrométrica se puede determinar la humedad relativa y absoluta del aire conociendo la temperatura de bulbo húmedo en °C y la temperatura de bulbo seco en °C.

El termómetro de bulbo húmedo tiene sobre su ampolla una gasa húmeda, cuya intensidad o rapidez de evaporación del agua depende en parte de la cantidad de vapor que ya había en el aire. Si éste está saturado, no se evaporará nada del agua de la gasa y la temperatura de bulbo húmedo y de bulbo seco serán las mismas.


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Ejemplo:

Sean las temperaturas del bulbo seco de 22,5° y la temperatura de bulbo húmedo de 17,5°C. Determinar la humedad relativa y la humedad absoluta del aire.

Entrar a la gráfica con las temperaturas dadas. Se busca la temperatura de bulbo seco 22,5° en la bulba húmeda 17,5°C en B, y siguiendo líneas de temperatura constante, se trazan por a y b rectas que se cortan en el estado 1 y obtenidas una humedad relativa de 61% aproximadamente.

Del punto 1 se traza una horizontal hasta que corte al eje vertical en C y se lee la humedad absoluta en Kg de vapor / Kg de aire seco:

En el punto 1 se puede estimar el volumen específico del aire seco, entre los valores de 0,85 y

0,86 osecairedekg

3m

Con estos valores se puede determinar la humedad absoluta en Kg. de vapor / m3 de aire.

osecairedeKg/3m852,0

osecairedekg/aguadevapordekg3103,10abh

−•=

Conociendo la humedad relativa 61% y la temperatura del bulbo seco 22,5°C, se puede determinar la humedad absoluta utilizando el gráfico 2.2.1.

Hr = 61%

aireairedekg

aguadevapordekg3103,10w −•=

V = 0,852 m3 / Kg de aire seco

3m

aguadevapordeg09,12abh =


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100×=s

ab

hh

hr

100hshrhab

•=

Entrando con la temperatura de 22,5°C en el gráfico 2.2.1., obtenemos una humedad de saturación de 19,95 g de vapor / m3. Aplicando la fórmula:

10095,1961

abh •=

2.4.1. Determinación de la cantidad de agua condensada

Ejemplo:

En la figura se muestra un compresor de pistón que aspira aire a la presión de 1 bar abs y 10 comprime hasta 6 bar abs. El rendimiento volumétrico del compresor es 95%.

Determinar la cantidad de agua en Kg / h que, se deposita en el recipiente de aire comprimido.

Contenido de agua antes de la compresión (aspiración)

100sHrH

abH •=

3m

aguadevapordeg17,12abh =


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A 20°C la humedad de saturación (hs) es 17 g/m3.

3m/g9,11100

3m/g1770abH =

•=

En 50 m3/h : 11,9 g/m3 . 50 m3/h = 595 g/h

Contenido de agua después de la compresión:

Cálculo del flujo de aire a 6 bar abs.

1T1V1P

oToVoP=

K3131Vabsbar6

K293h/3m50bar1 •=

•

K293h/3m50K313

bar6bar1

1V ••

V1 = 8,9 m3 / h

Afectándolo del rendimiento volumétrico.

V1 real = 8,9 m3/h • 0,95

A 40°C la máxima cantidad de agua (hs) que puede contener un m3 es 50 g/m3.

En 8,455 m3/h : 50 g/m3 • 8m455 m3/h = 422,75 g/h.

El aire que ingresó lleva 595 g/h.

Por consiguiente: Cantidad de agua condensada

= 595 – 422,75 = 172,25 g/h

V1 real = 8,455m3/h

0,172 kg/h


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3. Acondicionamiento industrial

Una vez que el aire ha superado el compresor, comienza la etapa de acondicionamiento industrial, entendiendo por esto, los procesos a que debe ser sometido para que pueda ser utilizado sin ningún riesgo mecánico ni químico. Es decir, queremos asegurarnos que el aire comprimido nos va a dar la prestación deseada y que no habrá de contaminar ni constituirse en el vehículo de ningún de corrosión.

Como ha de suponerse, el aire evoluciona a través de distintos aparatos y elementos que lo conducen y acondicionan.

Estos son, en rasgos generales, los siguientes: post enfriador, drenadores, tanque de almacenamiento, filtros de línea, secadores, filtros para partículas sólidas, para agua, para aceite y para olores, regulación y tubería de distribución.

La figura que transcribimos a continuación, nos da una idea de la posición relativa de cada elemento.

3.1. Tratamiento antes de la compresión

El único tratamiento del aire antes de la compresión, se verifica en la aspiración y lo constituyen los filtros de aspiración.

Existen distintos tipos de filtros:

1. Filtros en baños de aceite. 2. Filtros de papel. 3. Filtros inerciales.


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La función de los filtros de aspiración, (ver figuras 3.1a, 3.1b y 3.4c) es la de proteger el mecanismo del compresor para evitar inconvenientes mecánicos en el mismo y ninguna otra.

La capacidad de filtrado de estos elementos se encuentra entre los 50 y los 10 micrones.

Evidentemente es una obligación tener instalados estos filtros, pero no resuelve nuestro problema. (5)

Necesitamos pues, atender el aire aún después que es abandonado por el compresor.


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3.2. Tratamiento después de la compresión

Los aparatos que se utilizan para tratar el aire después de la compresión pueden dividirse en:

1. Tratamiento a la salida del compresor.

• Post – enfriadores. • Filtros de línea.

2. Tratamiento en las redes de distribución.

• Secadores.

3. Tratamiento en los puntos de utilización. Unidades de Mantenimiento (FRL).

• Filtros. • Regulación de presión. • Lubricación.

3.2.1. Post enfriadores

Cuando el aire es aspirado por el compresor, se inicia un proceso de compresión que siempre viene acompañado por un aumento de la temperatura y por ciertas modificaciones en la humedad relativa, densidad, etc.

• POST ENFRIADOR AIRE – AIRE: Este post –

enfriador es el más expeditivo pues su instalación es muy sencilla y por lo tanto rápida. Consiste esencialmente en un radiador por donde se hace circular el aire comprimido, que recibe una circulación forzada de aire ambiente. La figura 3.2.1.1 nos permite observar la construcción de un post – enfriador aire – aire.


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Figura 3.2.1.1 Esquema de un post – enfriador aire – aire

Sus limitaciones están relacionadas con la máxima presión de trabajo, la temperatura máxima de operación, la temperatura del ambiente y la capacidad de circulación que permite, pues cualquier variación de estos parámetros debería ser tal que a la salida la temperatura sea menor que 40°C. En muchos casos este aparato puede completarse con purgas automáticas que eliminan el condensado que producen. (5)

Precauciones generales a tomar para su instalación: Colocar el post – enfriador sobre un tramo horizontal de la tubería. No debe instalarse pegado a la pared. Colocar en un lugar limpio y ventilado. Drenar periódicamente.

• POST – ENFRIADOR AIRE – AGUA: El post –

enfriador aire-agua es más efectivo que el post-enfriador aire-aire y ocupa menos volumen, pero como contrapartida tenemos que es necesario atender la disminución de la temperatura de la guía de circulación. Este enfriamiento se lleva a cabo en “torres de enfriamiento”. A veces es necesario una torre de enfriamiento específica para el post-enfriador, y a veces, dependiendo de la carga, puede compartir la torre principal, frecuentemente creada para el agua de refrigeración de los compresores. Aparte de esto deben considerarse las instalaciones adicionales no mencionadas: Tuberías, bombas, etc.


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Figura 3.2.1.2 Post-enfriador aire-agua Aquí podemos apreciar la evolución del agua de refrigeración, intercambiando calor con el aire comprimido que circula por el aparato. La zona de contacto entre ambos fluidos está considerablemente extendida debido al tubo aletado con que se construyen. En este caso una parte del contacto de los fluidos es en contra-corriente y otra a favor posibilidades la conexión del aparato en forma simple. Las precauciones para la instalación del post-enfriador son muy pocas: colóquelo en posición horizontal. Use agua filtrada para evitar obturaciones y mantenga el agua en circulación durante la operación. Drenar periódicamente.

3.2.2. Filtros de línea

Estos filtros, que deben instalarse antes de cualquier consumo, tienen como función retirar del aire comprimido el mayor porcentaje posible de agua líquida, aceite y partículas sólidas (incluso las que el propio compresor haya introducido) y así como también las emulsiones que suelen producirse al coexistir agua con aceite.

Existen distintos tipos de filtros que desempeñan esta función:

• Los de acción mecánica (elementos filtrantes). • Los inerciales (de acción ciclónica). • Los combinados.

Filtros de acción mecánica.


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Este tipo de filtros presenta elementos filtrantes que por acción mecánica pueden retener gotas y partículas sólidas. Las gotas provenientes del condensado se forman en la superficie de los elementos obedeciendo a un principio de tensión superficial. La gota formada cae por gravedad hacia la zona de recolección. Este filtro (al igual que los que siguen) es conveniente instalarlo después del tanque de almacenamiento y si la red de distribución es grande, uno por cada ramal. La razón es simple: cuanto más alejado, más oportunidad habrá tenido el aire de intercambiar calor con el medio ambiente y por lo tanto, cabe esperar más cantidad de condensado. En definitiva, el filtro retiraría más cantidad de agua. Estos filtros deben inspeccionarse periódicamente y si bien los intervalos de atención no son muy frecuentes (cuando el filtro está bien dimensionado) debe preverse el recambio de los elementos filtrantes para evitar la saturación de los mismos.

El tamaño de partículas que puede retener este tipo de filtro está comprendido entre los 20 y 10 micrones con una eficiencia de 45-55%.

La elección de estos filtros debe hacerse en función de la presión máxima de régimen y el caudal máximo que podría circular.

• Filtro inercial

Si bien este tipo de filtro también responde a una acción mecánica, esta es dinámica y se distingue claramente de la anterior.

En un filtro inercial o ciclónico, la acción más destacada es el cambio de dirección. Este cambio imprime a las partículas pesadas una acción centrífuga, que debidamente aprovechada, permite controlarlas y retirarlas del torrente de aire. La eficiencia de separación de estos filtros depende de varios factores, entre otros: la intensidad del cambio de dirección, la densidad de la partícula que está evolucionando, la temperatura del aire, el tiempo que se pueda mantener el cambio de dirección, etc.


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Estos filtros son económicos y si bien no son tan eficaces como los anteriores, casi no necesitan mantenimiento. Las precauciones para su instalación son similares a las anteriores.

• Filtros combinados

Una forma razonable de mejorar las cosas es tomar lo bueno de cada uno y hacerlos compatibles. Esto es exactamente lo que se ha hecho con los filtros de línea combinados. Naturalmente estos filtros son más modernos y reúnen las cualidades positivas de los anteriores. El hecho de dar al aire un tratamiento inercial previo a la acción mecánica permite usar elementos filtrantes más delicados y conseguir así una mayor eficiencia. La figura 3.2.2.1 nos muestra un filtro combinado en el que el aire, al entrar en el recinto del mismo, cambia de dirección para ingresar después al elemento filtrante (desde el interior al exterior), consiguiendo retenciones de hasta 3 micrones con una eficiencia similar a los anteriores.

Figura 3.2.2.1 Filtro de Línea


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Las recomendaciones para su instalación son las mismas que en los casos anteriores. El elemento filtrante deberá cambiarse cuando está saturado, condición que se controla con un manómetro diferencial (o con dos manómetros comunes). La caída de presión nunca debe superar 1 bar. El tiempo de recambio depende de la calidad del aire que se procese, aunque podríamos decir que en general el período fluctúa entre 4 a 6 meses. Lo importante en este caso es atender diariamente el purgado y no generar ningún consumo de aire que no hay pasado por el filtro de línea.

3.2.3. Tratamiento en las redes

El tratamiento en las redes es más específico y depende de la calidad de aire pretendida. Esta aseveración nos da un mensaje en forma indirecta: todo lo anterior es obligatorio en el tratamiento del aire.

3.2.4. Tipos de secados

• Secado por absorción

El secado por absorción es un procedimiento puramente químico. El aire comprimido pasa a través de un lecho de sustancias secantes. En cuanto el agua o vapor de agua entra en contacto con dicha sustancia, se combina químicamente con esta y se desprende como mezcla de agua y sustancia secante. Esta mezcla tiene que ser eliminada regularmente del absorbedor. Ello se puede realizar manual o automáticamente. Con el tiempo se consume la sustancia secante, y debe suplirse en intervalor regulares (2 a 4 veces al año).

Al mismo tiempo, en el secador por absorción se separan vapores y partículas. No obstante, las cantidades de aceite, si son grandes, influyen en el funcionamiento del secador. Por esto conviene montar un filtro delante de éste.


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Figura 3.2.3.1 Secado por absorción El secado por absorción tiene hoy en día poca importancia en la práctica, puesto que para la mayoría de los casos de aplicación el coste de explotación es elevado y el rendimiento, bajo.

Este principio se base en un proceso físico. (Adsorver: Depositar sustancias sobre la superficie de cuerpos sólidos). El material de secado es granuloso con cantos vivos o en forma de perlas. Se compone de casi un 100% de dióxido de silicio. En general se le da el nombre de “Gel”. La misión del gel consiste en absorber el agua y el vapor de agua. El aire comprimido húmedo se hace pasar a través del lecho de gel, que fija la humedad. La capacidad absorbente de un lecho de gel es naturalmente limitada. Si está saturado, se regenera de forma simple. A través del secador se sopla aire caliente, que absorbe la humedad del material de secado. El calor necesario para la regeneración puede aplicarse por medio de corriente eléctrica o también con aire comprimido caliente. Disponiendo en paralelo dos secados, se puede emplear uno para el secado del aire, mientras el otro se regenera (soplándolo con aire caliente).


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Figura 3.2.3.2 Secado por adsorción

• Secado de enfriamiento

Los secadores de aire comprimido por enfriamiento se basan en el principio de una reducción de la temperatura del punto de rocío. Se entiende por temperatura del punto de rocío aquella a la que hay que enfriar un gas, al objeto de que se condense el vapor de agua contenido. El aire comprimido a secar entra en el secador pasando primero por el llamado intercambiador de calor de aire-aire.

El aire caliente que entra en el secador se enfría mediante aire seco y frío proveniente del intercambiador de calor (vaporizador). El condensado de aceite y agua se evacua del intercambiador de calor, a través del separador. Este aire pre enfríado pasa por el grupo frigorífico (vaporizador) y se enfría más hasta una temperatura de unos 274,7K (1,7°C). En este proceso se elimina por segunda vez el agua y aceite condensados.


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Seguidamente se puede hacer pasar el aire comprimido por un filtro fino, con el objeto de eliminar nuevamente partículas de suciedad.

Figura 3.2.3.3 Secado por enfriamiento Tratamiento del aire comprimido en los puntos de utilización. El aire ambiente, que aspira el compresor, contiene impurezas. A estas se le agregan las que el propio compresor genera, así como también las que se puedan encontrar en los puntos de distribución. Estas impurezas, como se mencionará al principio de este capítulo, son de distinta índole y de distinto tamaño.

3.2.5. Filtros

El rol fundamental de cualquier filtro es el de “protector”. Si, protegen los elementos “aguas abajo” de su posición. Entendiendo este concepto,


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entenderemos, no sólo la importancia del filtro sino también la razón de sus eventuales combinaciones.

Para mejor comprensión hemos dividido los filtros en dos grandes grupos; standard y especiales. Los denominadores así, pues de ordinario se suele colocar el filtro más común, sin demasiada conciencia de su función y limitaciones.

• Filtros standard

Al entrar el aire en el depósito (2) es sometido a un movimiento de rotación por las ranuras directrices (1), que desprenden por centrifugación los componentes líquidos y las porciones de suciedad grandes que descienden por efecto de la gravedad. La condensación acumulada se deberá vaciar antes de que se alcance la altura máxima permitida, puesto que de no hacerlo así, la corriente llevará consigo las impurezas hacia la salida.

Los componentes sólidos de mayor tamaño que el poro del cartucho filtrante (3) son retenidos por él. Después de un tiempo de funcionamiento este cartucho quedará obturado si no se tiene la precaución de recambiarlo o efectuar su limpieza. El tamaño de los poros de los filtros normales está entre µm.

Funcionamiento de la purga automática acoplada al filtro de aire comprimido

El condensado dentro del filtro de aire llega a la cámara de purga entre los discos de estanqueidad (1 y 2) a través del taladro (6). A medida que aumenta el condensado sube el flotador (3). Con el nivel de condensado máximo se abre la tobera (7). El aire comprimido del depósito del filtro pasa por el taladro y empuja el émbolo (5) hacia la derecha. Ahora el disco de estanqueidad (1) abre el paso del condensado a la atmósfera. El aire comprimido sólo puede escapar lentamente por la tobera (4), el paso permanece abierto el tiempo necesario, Ver figura.


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Figura 3.2.4.1 Figura 3.2.4.2 Filtro de Aire Purga automática

La elección correcta de un filtro standard se realiza mediante la consideración de los siguientes puntos:

• Caída de presión que origina. • Área dispuesta para el filtrado. • Facilidad operativa para el cambio.


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La tabla 3.2.4.3 muestra los materiales más comúnmente empleados para los filtros standard. Tabla

Elementos Formas de Filtración Malla

Fieltro, papel Filtración externa Filtración interna

Malla grande. (>5 micrones)

Metal Filtración interna Malla pequeña Malla de alambre Filtración externa Malla grande

• Filtros especiales

Hemos llamado así a los filtros que son capaces de retirar alguna impureza que resulte “invisible para los filtros standard”

Tabla 3.2.4.4 Clasificación de Filtros

Filtros Nivel de

Filtrado Capacidad

Standard (Para referencia)

>5 Micrones Eliminación de condensado (gotas) e impurezas sólidas.

Con elemento de fibras para adsorción (elemento X)

3 Micrones. Eliminación de aceite (gotas, niebla).

Con filtro de aire submicronico (elemento Y)

0.3 Micrones

Eliminación de carbón y alquitrán del aire comprimido.

Con filtro separador de aerosoles de aceite (elemento micronaught)

0.3 Micrones

Eliminación de polvo, aceite y humedad del aire comprimido.

Con filtro separador de aerosoles de aceite (elemento Odornaught)

0.01 Micrones

Eliminación de olores en el aire comprimido.


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3.2.6. Reguladores de presión

Tienen por misión mantener la presión de salida (secundaria) lo más constante posible, a pesar de las variaciones, en la presión de entrada (primera). La presión primaria siempre es mayor a la secundaria, y es regulada por la membrana (1), que es solicitado, por un lado, por la presión de entrada, y por el otro, en muelle (2) pretensado por un tornillo regulador (3).

A medida que la presión primaria aumenta, la membrana tiene tendencia a comprimirse contra el muelle, lo supone el cierre de la válvula de asiento (4). En otros términos, la presión es regulada por el caudal.

Cuando desciende la presión el muelle abre la válvula. La regulación de la presión de servicio consiste, pues, en la abertura y cierre constante de la válvula, que para evitar oscilaciones está dotada con un amortiguador de muelle (5). La presión de servicio es visualizada en un manómetro.

En caso de que la presión secundaria aumentase mucho, desplazaría la membrana hacia abajo, y la presión sobrante disminuiría a causa del escape a la atmósfera de un caudal de aire determinado a través del agujero central de la membrana y los taladros de escape.

Figura 3.2.5.1 Regulador de Presión


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• Reguladores de Presión de Precisión

Estos reguladores son, en general, clasificados por su rango de ajuste y su precisión de regulación como se ven en la tabla siguiente:

Tabla 3.2.5.2 Tabla de Regulación

Clase Rango de Ajuste Precisión de

Regulación Alta presión

Media presión Baja presión

Semi-precisión Precisión

0.7 – 17.5 (KGF / CM2)

0.5 – 8.5 0.2 – 3.5

0.11 – 2.5 0.05 – 2.0

0.4 (KGF / CM2) 0.2 0.1

0.05 0.005

Para elevar la precisión del ajuste, las válvulas del tipo semi-precisión y de precisión están equipadas con un sistema de purga permanente (por debajo de 3 litros/minuto). El volumen del flujo de aire de la mayoría de éstas válvulas es inferior a 400 litros / minuto. En general su construcción es bastante compleja y suelen tener varios diafragmas. A pleno título ilustrativo, transcribimos a continuación el esquema de un regulador de precisión:

Figura 3.2.5.3 Esquema de un regulador de precisión


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El regulador, al igual que el filtro, debe elegirse en base al caudal que se espera pueda circular por él con la mínima pérdida de carga. Sin embargo, en este caso, debe tenerse presente el rango de utilización pretendido y la constancia de mantenimiento de esta presión, es decir la precisión de regulación.

3.2.7. Lubricación

La forma práctica más lógica para lograr el correcto funcionamiento de todo aparato en el que se verifiquen movimientos es, sin duda, la lubricación. Entre los componentes neumáticos existen dos formas de llevar a cabo esta lubricación: con lubricantes sólidos y con lubricantes líquidos.

En muchos casos se prefiere el lubricante sólido (que durará lo que el componente en cuestión) pues existe menos riesgo de contaminación del producto que se estuviera elaboración. Cuando en cambio, se trata de lubricante líquido, la solución formal es instalar lubricadores.

La función de estos aparatos es incorporar al aire y a tratado, una determinada cantidad de aceite, lo más finamente pulverizado posible. El principio de funcionamiento es el que insinúa la figura donde aparece un conducto que presenta un estrechamiento (tubo venturi).

En fluido que circula por él sufre una serie de alteraciones en cuanto a su velocidad y presión: la velocidad aumenta en el estrechamiento y la presión disminuye en el mismo lugar. Este hecho produce un desbalance entre los puntos señalados, desbalance que se aprovecha entre los puntos señalados, desbalance que se aprovecha para volcar aceite en la zona de máxima velocidad. El aceite derramado se pulveriza en el torrente de aire y viaja con él en todas direcciones.


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Figura 3.2.6.1

• Funcionamiento de lubricador

El aire circula en sentido A-B. Una válvula H hace pasar el aire a través de la boquilla C, hacia el vaso E. El aire se enriquece con aceite, que circula por efecto de la presión hacia E y por la depresión en C, a través del tubo L, y cae goteando. Las gotas grandes vuelven a caer en el depósito. Solamente circulará una fina nebulización, a través de G, hacia la salida B.

El ajuste del goteo se realiza mediante el tornillo K.

Figura 3.2.6.2


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1 Cuerpo. 2 Vaso del lubricador. 3 Tubo de subida. 4 Tornillo estrangulador. 5 Cubierta de la cámara de goteo.

• Ajuste de un lubricador

Debe ajustarse correctamente el lubricador de una unidad de mantenimiento.

• Determinación del número de gotas/min.

Con el diámetro interior de la tubería φ = 3,5 mm. y una presión de trabajo P = 6 bar; se halla en el gráfico el caudal Q ≅ 0,5 m3/min. Por lo general se usa de 1 a 12 gotas de aceite por metro cúbico de aire (1 m3). Se puede considerar para 1 m3/min---5 gotas/min.

Fases de trabajo:

• Ajustar el regulador a la presión de trabajo. • Determinar el tiempo (s) entre gota y gota. • Ayudado de un destornillador, regular la caída de

las gotas de aceite en la cámara de goteo.

Cálculo:

1 min 5 gotas/min 0,5m3/min x gotas/min.


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X = 2,5 gotas / min

En 60 s 2,5 gotas y S 1 gota y = 24 segundos Se debe ajustar el goteo en una gota cada 24 segundos.

4. Equipos compuestos para tratamiento

4.1. Unidades de mantenimiento

Estas unidades surgen de una combinación de aparatos que serían, de aplicarlos sueltos, lo que obligatoriamente deberíamos usar para tratar el aire en su forma más elemental y acondicionarlo a nuestras necesidades operativas.

Este conjunto se compone de:

• Un filtro de aire (F). • Un regulador de presión (R). • Un lubricante (L).


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En estos puntos anteriores hicimos comentarios sobre las características, funcionamiento y elección de estos aparatos en forma individual; es nuestra intención, ahora, presentarlos en forma agrupada para estandarizar su uso y referirnos a la utilización en conjunto.

Figura 3.2.7.1

Símbolo en detalle Símbolo simplificado

Las unidades de mantenimiento (FRL) son un grupo formado por el filtro (F) de aire comprimido, la válvula reguladora de presión (R) con el manómetro y el lubricador (L). El filtro y la válvula reguladora de presión constituyen una unidad.

Figura 3.2.7.2


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Dos puntos importantes:

• La elección del grupo está en función del caudal en m3/h. Cuando el caudal es demasiado grande la pérdida de carga puede ser excesiva. Es imprescindible respetar las prescripciones del fabricante.

• La presión no deberá sobrepasar del valor estipulado en la

unidad y la temperatura tampoco deberá ser superior a 50°C (debido a los depósitos de plástico).

4.2. Cuidados en las unidades de mantenimiento

Es necesario proceder en intervalos regulares, a los trabajos siguientes:

• Filtro de aire: el nivel de condensación debe controlarse

rigurosamente, para no sobrepasar el nivel máximo permitido, puesto que existe el riesgo de que el agua pasará al depósito de aceite y de allí a la instalación. Para eliminar el depósito es necesario vaciar la condensación.

• El cartucho de filtro debe limpiarse en intervalos regulares. • Regulador de presión: Cuando está precedido por un filtro

no es preciso ningún mantenimiento especial. • Lubricador: Verificar el nivel de aceite, llenar hasta el nivel

permitido. • Los depósitos del filtro y lubricador son de materia plástica,

no utilizar disolvente del tipo tricloroetileno. • Utilizar aceites exentos de acidez, del tipo mineral.

5. Cilindros neumáticos

5.1. Cilindros de simple efectos

Estos cilindros tienen solamente una conexión de aire comprimido. No pueden realizar trabajo más que en un solo sentido: el retorno del vástago se realiza por un muelle incorporado, o por una fuerza externa. El aire comprimido, pues, es sólo necesario para un sentido de traslación. El resorte interno es dimensionado de manera que vuelva lo más rápidamente posible el émbolo a su posición inicial. Para los cilindros de simple efecto, con muelle incorporado, la carrera está en función de la longitud de dicho resorte y por


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esta causa, los cilindros de simple efecto no tienen carreras largas. Su utilización se limita a trabajos simples, tales como sujeción, expulsión, alimentación, etc.

Figura 1.1.1 Cilindro de simple efecto 5.1.1. Cilindros de émbolo

La estanqueidad se logre por un material flexible que recubre el pistón metálico, de material sintético (perbunan). Durante el movimiento del émbolo los labios de junta se deslizan por la pared interna del cilindro y garantizan la estanqueidad necesaria.

Para otras ejecuciones, la carrera de trabajo es realizada por el muelle, mientras que el aire comprimido efectúa el retorno del vástago a su posición inicial. Aplicación; cuando existe el riesgo de una interrupción brusca de la energía (circuito de frenos en camiones y trenes), su ventaja principal es el frenado instantáneo.

5.1.2. Cilindros de membrana

Una membrana de caucho, plástico o metal, reemplaza aquí el pistón, y el vástago es la superficie de la membrana. Todo fenómeno de rozamiento por deslizamiento es inexistente; la única fuerza antagonista es debida a la dilatación de la membrana.


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Aplicaciones principales: Sujeción de piezas y para su utilización en máquinas y útiles, prensa de embutición, etc.

Figura 1.1.2 Cilindro de membrana

5.1.3. Cilindros de membrana arrollable

Como su nombre indica, este cilindro también es de membrana: cuando está sometido a la presión del aire, se desarrolla a lo largo de la pared interna del cilindro y efectúa el vástago su salida. Las carreras son más importantes que en los cilindros de membrana (50-80 mm).

El rozamiento es casi nulo.

Figura 1.1.3 Cilindro de membrana arrollable


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5.2. Cilindros de doble efecto

En este caso la fuerza ejercida por el aire comprimido anima al émbolo de un movimiento de traslación en los dos sentidos. Se dispone de fuerza útil tanto a la ida como al retorno. La carrera, en principio, no está limitada, pero existe el riesgo de pandeo. La estanqueidad la realizan juntas de labios o membranas.

Figura 1.2.1 Cilindro de doble efecto

5.2.1. Cilindros con amortiguación interna

Cuando las masas trasladadas son importantes, para evitar choques graves y el deterioro prematuro, se utiliza el sistema de amortiguación regulable, que entra en acción momentos antes de alcanzar el final de carrera. Este sistema está constituido principalmente por un émbolo amortiguador que reduce considerablemente la sección de paso del espacio el aire contenido en esta cámara.

El aire almacenado es comprimido en la última parte de la cámara del cilindro, y la sobrepresión así creada tiene por efecto absorber una parte de la energía. El émbolo es frenado y llega lentamente a su posición extrema. En el momento de la inversión el aire penetra en el cilindro a través antiretorno y comienza rápidamente


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su desplazamiento: las fuerzas disponibles son igualmente máximas.

Figura 1.2.2 Cilindro con amortiguación interna.

Otros tipos de amortiguación

• Amortiguación en los dos lados, no regulable.

• Amortiguación posterior, no regulable.

• Amortiguación posterior, regulable.

5.3. Cilindros especiales, de doble efecto 5.3.1. Cilindros con doble vástago

El guiado es mejor, puesto que tiene más puntos de sujeción, además resulta muy útil en el caso de falta de espacio para colocación de levas. La fuerza resultante es la misma para los dos sentidos, puesto que las secciones de aplicaciones son iguales.


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Figura 1.2.3 Cilindro con doble vástago

5.3.2. Cilindro tandem

Está constituido por dos cilindros de doble efecto, acoplados en serie. Aplicando simultáneamente presión sobre los dos émbolos se obtiene una fuerza casi doble a la de un cilindro del mismo diámetro. Se utiliza cuando son necesarias fuerzas considerables y se dispone de un espacio reducido, no siendo posible la utilización de un diámetro superior.

Figura 1.2.4 Cilindro tandem

5.3.3. Cilindro multiposicional

Este elemento este constituido por dos o más cilindros de doble efecto. Los diferentes elementos están acoplados como indica el esquema adjunto. Según el émbolo solicitado actúa uno u otro cilindro. Cuando se unen dos cilindros de carreras distintas pueden obtenerse 4 posiciones finales diferentes.

Aplicación:

• Mando de palancas. • Selección de vías.


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Figura 1.2.5

5.3.4. Cilindro de impacto

Si se utilizan cilindros normales para trabajos de transformación las fuerzas disponibles son, a menudo, insuficientes. El cilindro de impacto es el conveniente para estos casos, para obtener energía cinética de valor elevado. Según la fórmula.

2

2vmE •=

Cuando aumenta la velocidad, la fuerza aumenta de manera mucho mayor. Funcionamiento:

El émbolo tiene una junta que cierra la cámara posterior; cuando existe aire comprimido en las dos cámaras, debido a la mayor sección anterior, una presión menor será capaz de sostener el émbolo en esta posición, sin embargo al descender a un nivel mínimo la presión en la cámara anterior, vencerá el espacio para la separación de la junta, aplicándose entonces plena presión a la superficie del émbolo, en su lado posterior, con la ventaja adicional de estar carente de aire a presión la cámara anterior.

Figura 1.2.6


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5.3.5. Cilindro de cable

Los extremos del cable están fijados a ambos lados del émbolo, y es guiado por medio de poleas. Su trabajo es siempre de tracción.

Aplicación: apertura y cierre de puertas. Se caracteriza por sus dimensiones reducidas, permitiendo obtener carreras largas.

Figura 1.2.7

5.3.6. Cilindro con movimiento de giro

En estos cilindros de doble efecto, el vástago es una cremallera que engrana con un piñón, que transforma el movimiento lineal en giratorio, y del sentido mandado por el émbolo. Los ángulos de giro pueden ser 45, 90, 180, 290 hasta 720.

El momento es función de la presión, superficie del émbolo y de la relación de transmisión. Estos sistemas se utilizan para el doblado de tubos, giro de piezas, regulación de instalaciones de climatización, mando de válvulas de cierre, etc.

Figura 1.2.8


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5.4. Fijaciones

La fijación está en función del modo de colocación del cilindro en la máquina. Si la fijación es definitiva el cilindro puede ser equipado con los accesorios de montaje necesarios. Este sistema de montaje en el que las fijaciones se pueden colocar a elección facilita el almacenamiento en empresas que utilizan a menudo el aire comprimido, puesto que se obtiene mayor versatilidad con el mismo cilindro básico.

Figura 1.3.1 Diferentes tipos de fijaciones

5.5. Constitución de los cilindros:

El cilindro de émbolo se compone de: tubo, tapa posterior, y tapa anterior con cojinete, junta del vástago, vástago, junta de rascador y émbolo con junta. El tubo cilíndrico (1) se construye en tubo de acero estirado sin costura. Para prolongar la vida de las juntas, la superficie del tubo debe tener un mecanizado de precisión (bruñido). Para aplicaciones especiales, el tubo se construye el aluminio, latón, con superficie de rozadura en cromo duro. Estas ejecuciones especiales se emplean para proteger de influencias corrosivas.


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Para la tapa posterior (2) y la anterior (3) se emplea preferentemente material de fundición (fundición de aluminio o maleable). La fijación, de ambas tapas con el tubo, puede realizarse por tirantes, rosca o bridas. El vástago (4) es preferentemente de acero inoxidable, con determinado porcentaje de cromo. Para prevenir el riesgo de roturas, generalmente las roscas son laminadas. Si se desea puede solicitarse un endurecimiento especial en el vástago. La profundidad superficial de rugosidad debe ser de 1 µm. Para la obturación de la cámara anterior se monta en la tapa frontal una junta (5). La guía del vástago se realiza por un cojinete autolubricante. (6) que puede ser de bronce sinterizado o un casquillo de plástico con revestimiento metálico. Ante el casquillo de guía está la junta de rascador (7) que impide la penetración de materias extrañas al interior del cilindro. Por ello, no es necesario el revestimiento con fuelle del vástago. La junta de doble vaso (8) separa las dos cámaras del cilindro (T-dúo) Material: Perbunan entre –20 y + 80°C Viton entre –20 y + 190°C Teflón entre –30 y + 200°C Para la obturación estática se utilizan juntas tóricas (9). La junta debe tensarse previamente, y esto es la causa, en su aplicación dinámica de elevadas pérdidas por fricción.

Figura 1.4.1 Vista en corte de un cilindro neumático con amortiguación en sus finales de carrera.


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• Diferentes clases de juntas

5.6. Cálculos de un cilindro

5.6.1. Fuerzas del émbolo

La fuerza ejercida por un cilindro está en función de la presión de alimentación, diámetro (y por tanto sección) del émbolo y del rozamiento de las juntas.

El empuje teórico se determina por la fórmula:

Ft = A . P


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Siendo:

Ft = Fuerza de empuje teórica (kgf) (N). A = Sección útil del émbolo (cm2). P = Presión de alimentación (bar, kgf/cm2) (manométrica).

En la práctica es necesario conocer la fuerza real. Para determinarla es necesario tener en cuenta los rozamientos. En condiciones normales de servicio (presión de 4-8 bar) puede suponerse que las fuerzas de rozamiento representan de un 3 a un 20% de la fuerza obtenible. Cilindros de simple efecto:

Fn = A . p – (Fr + Ff)

Cilindros de doble efecto (al avance). Cilindros de doble efecto (retorno).

Fn = A . p – Fr Fn = A’ . p – Fr

Fn = Fuerza real (kgf) (N)

A = Superficie útil del émbolo (cm2)

4

2D π•=

AI = Superficie útil restando la del émbolo.

4)2d2D( π−

=

p = presión de alimentación (bar. Kgf/cm2). Fr = Fuerza de rozamiento (3-20%) (Kgf) (N) Ff = Fuerza de retorno del muelle (Kgf) (N) D = Diámetro del émbolo (cm) d = Diámetro del vástago (cm)

Ejemplo 1:

Determinar la fuerza teórica y real de un cilindro neumático cuyas dimensiones son 50/12/200 (D = 50 mm, d = 12 mm, carrera 200 mm) considerar la fuerza de rozamiento igual al 10% de la fuerza obtenible.


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Superficie del émbolo:

2cm625,194

14,3254

2DA =•

=π•

=

Superficie restando el émbolo:

2cm5,184

14,3)4,125(4

)2d2D(A =•−

=π−

=

Empuje teórico al avance:

Ft = A . p = 19,625 cm2 . 6 bar = 117,75 kgf.

N13,1155Kgf1

N81,9.kgf75,117Ft •=

Resistencia de rozamiento 10% = 11,775 Kgf Empuje real al avance: Fn = A . p – Fr = 19,625cm2 . 6 bar – 11,775 kgf ≈ 106 kgf.

N86,1039Kgf1

N81,9.Kgf106Fn ==

Fuerza de tracción, teórica al retroceso Ft = AI . p = 18,5 cm2 . 6 bar = 111 kgf.

N91,1088Kgf1

N81,9.Kgf111Fn ==

Resistencia de rozamiento 10% = 11,1 kp. Fuerza de tracción real al retroceso. Fn = AI . p = 18,5 cm2 . 6 bar – 11,1 kgf = 100 kgf.

N981Kgf1

N81,9.Kgf100Fn ==

Ejemplo 2: Seleccionar un cilindro de doble efecto que eleve una carga en forma vertical. La disposición se muestra en la figura, se ha podido determinar los siguientes datos:


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- Masa a mover : 200 kg. - Longitud de carrera : 600 mm. - Tiempo de carrera : 4S - Presión de trabajo : 6 bar - Tramo de aceleración : 5 cm.

Fuerzas que actúen en el cilindro: Fw = Debido al peso de la masa m. Fa = Debido a la aceleración de la masa. FR = Debido al rozamiento en el cilindro.

La fuerza (F) que debe entregar el cilindro debe ser mayor que todas las fuerzas exteriores contrarias. F ≥ Fw + Fa + Fr Cálculo de Fw :

Fw = mg = 200 Kg. 10 N20002S

m=

Cálculo de Fa :

Fa = mg = 200 Kg.

−e2

2Vi2Vf

Donde: Vi = 0

Vf = sm15,0

smm150

S4nm600

==

e = 3 cm = 0,03 m

( )N75

m03,02

2s/2m2)0(215,0Kg200Fa =

•

−

=

FR = 10% de F


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De donde: F ≥ 2000 N + 75 N + 0,1 F 0,9F ≥ 2075 N

F ≥ N23069,0

N2075≅

En la tabla con una presión de 6 bar y una fuerza de 2306 N, obtenemos un diámetro del émbolo de 80 mm., y un diámetro del vástago igual a 25 mm.

Se debe chequear el diámetro del vástago por pandeo, para lo cual, se ingresa al gráfico con una fuerza de pandeo igual a 2306 N y un diámetro de vástago de 25 mm. Encontramos que la carrera admisible para dichos valores es de aprox. 920 mm., lo que indica que no fallará el vástago por pandeo.


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5.7. Consumo de aire

Para el acondicionamiento y conocer el gasto de energía, es importante conocer el consumo de aire de la instalación. Para lo cual, se halla el consumo a la presión de trabajo, llevando luego dicho valores a condiciones normales. Ejemplo: Calcular el consumo de un cilindro de doble efecto de /12/100, presión de 6 bar y 10 ciclos por minuto. Consumo de aire al avance y el retroceso.

nS4

2d2D

4

2DQ •

π

−

+π

=

Q = Cantidad de aire. S = Longitud de carrera.


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n = ciclos por minuto.

minciclos10

ciclo

3cm104

)22,125,2(4

25,2Q ••

π•

−+

•π=

Q ≅ 869 cm3 / min. a 6 bar (man). Llevando estos valores a condiciones normales. Pn . Vn = P1 . V1 (consideramos T = cte).

bar1min/3cm869bar7

nP1V1P

nV •==

miNL1,6

min

3cm6083nV ≅=

5.8. Unidades de avance óleo-neumáticas

Estos elementos se utilizan, como los precedentes, cuando se necesita una velocidad de trabajo constante. Son extremadamente compactos y están constituidos por un cilindro neumático, otro hidráulico de freno y un bloque neumático de mando. Los dos cilindros y el mando de válvula están unidos con un yugo. El cilindro neumático constituye el elemento de trabajo. Cuando se alimenta con aire comprimido comienza su movimiento de traslación, pero al tener que arrastrar el freno hidráulico, independientemente de la resistencia de oposición, el aceite mantiene rigurosamente constante la velocidad de avance.

En la carrera de retroceso el aceite circula rápidamente a través de la válvula unidireccional, al otro lado del émbolo. Un tope regulable sobre el vástago del freno permite que se realice una primera fase de recorrido a velocidad mayor, puesto que el freno no actúa, hasta que el encuentro con el tope suponga el avance de trabajo propiamente dicho, obteniéndose así un avance de aproximación para impedir tiempos muertos. Si se dispone una segunda válvula de estrangulación con antiretorno, es oposición a la anterior, también podrá obtenerse un recorrido de retroceso lento. El cilindro freno de aceite supone un circuito de aceite cerrado: las pequeñas fugas son inevitables, reduciéndose a una ligera


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película de aceite sobre el vástago del cilindro, un compensador de aceite, con nivel indicador, repone estas pérdidas. El conjunto está mandado por un bloque de mando neumático incorporado. Este mando directo comprende: un vástago de mando, con levas de mando regulables que efectúan la inversión de marcha, pudiéndose obtener también aquí, movimientos alternativos constantes. En una unidad tal como la de la figura con una estrangulación del circuito de aceite muy intensa, puede presentarse un alto momento de flexión sobre el vástago del cilindro, y para reducir este efecto el vástago debe reforzarse. En la figura 1.7.2 se muestra otra unidad, integrada por dos cilindros neumáticos y un freno intermedio a ellos, suprimiéndose así la presencia de flexión, además de lograrse una velocidad aún más constante. La combinación de cilindros y válvulas da como resultado la obtención de unidades de avance.

Figura 1.7.1 Esquema unidad de avance óleo-neumática


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Figura 1.7.2 Esquema unidad de avance 5.8.1. Unidades de avance con movimiento giratorio

Mediante la unión de un cilindro neumático de giro, otro de freno de aceite y la correspondiente válvula de mando, resulta un equipo muy apto para la automatización de taladradora de columna.

Figura 1.7.3 Unidad de avance, con movimiento giratorio

6. Motores neumáticos

Para generar movimiento de rotación en un sistema neumático, se usa un motor de este tipo. Se ha encontrado, que los motores neumáticos dan lugar a una velocidad de rotación muy elevada, la cual a veces puede llegar hasta 10 000 revoluciones por minuto o incluso más. La posibilidad de transmisión de alta potencia se realiza a velocidades infinitamente variables, lo cual constituye una ventaja adicional que no se encuentra en otros sistemas rotacionales.


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Los motores neumáticos, como se les conoce en forma popular, tienen diversos tipos de diseño, pero el más común es el del tipo de paletas. En los motores neumáticos de paletas, se coloca un bloque rotor en una carcasa, concéntrico a ésta o, en algunos otros tipos, al interior de la carcasa tiene contorno elíptico sobre el que se coloca el rotor en forma concéntrica. El bloque rotor tiene varias ranuras finamente maquinadas, rectificadas y pulidas (ilustradas en la figura 5.9 (a) en el interior de las cuales se colocan unas pequeñas paletas, las que se pueden mover hacia adentro y hacia fuera de esas ranuras. Cuando se alimentan aire comprimido, el rotor inicia su giro, produciendo en consecuencia un par motor (torque) sobre la flecha. Para operaciones a rpm elevadas de los sistemas mecánicos rotatorios, los motores neumáticos ofrecen un sistema en extremo seguro, debido a su capacidad de disipar, el calor, en virtud de la expansión del aire en el interior de las cámaras de las paletas. Esta es una propiedad muy ventajosa del motor neumático sobre los motores eléctricos.

Figura 2.1 Partes principales de un motor neumático: 1. Cubierta del extremo, 2. Cuerpo del motor con contorno interno elíptico, 3. Bloque rotor con ranuras para las paletas. 4. Paletas, 5. Flecha del motor, 6. Cubierta del extremo.

• Par motor de los motores neumáticos

Para los motores neumáticos, las características de par neumático (momento de torsión) dan lugar a un estudio interesante. Experimentalmente, se ha observado que cuando se aumenta la resistencia de cargo al motor neumático, se reduce su velocidad de funcionamiento y se incrementa el par para ajustarse a la carga. Ésta condición de aumento del par con disminución de la velocidad continúa hasta que el motor se detiene. Por otra parte, considérese lo que sucederá si se disminuye la carga. En este caso, la velocidad


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se va hacia arriba, pero el par motor se reduce en proporción correlativa a la carga. En el caso de la operación de un motor neumático, también se ha observado que el par de arranque es menor que el de funcionamiento normal y, debido a las características de disipación de calor, no se tienen muchos problemas que suelen encontrarse relacionados con los motores eléctricos. Sin embargo, los motores neumáticos no están en posición de suministrar una potencia uniforme y estable, lo cual constituye un gran inconveniente.

• Potencia del motor neumático

Los motores neumáticos se encuentran en el mercado desde un número nominal muy bajo de kilowatts hasta muy alto. Existen motores neumáticos fabricados por algunas empresas en fracciones de kilowatt, desde valores tan bajos como 0,05 KW, en tanto que el límite superior llega hasta 20 KW. En condiciones normales de trabajo, un tamaño moderado y máximo aceptable es de 10 kW, para la aplicación neumática general.

6.1. Motor neumático y eléctrico: comparación

• Los motores neumáticos desarrollan más kW/peso normal y por metro cúbico de desplazamiento que la mayor parte de los motores eléctricos estándar.

• Inherentemente, son a prueba de choque y explosión, lo cual no es el caso para los motores eléctricos.

• Los motores neumáticos no son afectados por una atmósfera caliente, húmeda o corrosiva. En virtud de que operan bajo presión interna, el polvo, la humedad y los vapores no pueden entrar en la cubierta del motor. Las cubiertas a prueba de polvo y de explosión para los motores eléctricos tienen un costo adicional.

• Los motores neumáticos no resultan dañados por sobrecargas, inversiones rápidas o por funcionar en forma continua cerca de la velocidad mínima; cuando un motor neumático se para por llevarlo hasta su carga máxima, sigue produciendo un alto par, sin dañarse (para sostener una carga, por ejemplo), pero un motor eléctrico puede resultar gravemente dañado debido a una sobrecarga.

• Se puede hacer variar la velocidad en un amplio rango, sin disposiciones complicadas de control en la masa de aire pero, en los motores eléctricos, esto es caro.

• Debido a su baja inercia, los motores neumáticos se aceleran y desaceleran con rapidez –desde cero hasta plena velocidad en milisegundos-, lo que resulta ideal para realizar ciclos rápidos. Los motores eléctricos tardan más tiempo para llevar a cabo esto.


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• Los motores neumáticos son de diseño sencillo y su construcción relativamente no es cara. Son confiables o de fácil mantenimiento y no se desarrolla calor, incluso si se paran por carga máxima durante un período más largo.

• Entre más duro trabaja un motor neumático, funciona más frío; debido a que el aire se expande a medida que pasa por el motor, crea un efecto de enfriamiento, lo cual permite que los motores neumáticos operen en ambientes en donde la temperatura puede llegar hasta 25°C, lo cual es sencillamente lo opuesto en el caso de los motores eléctricos.

Desventajas

• Los motores neumáticos son menos eficientes y más

ruidosos, a menos que se coloquen silenciadores en sus hombreras de escape.

• Los motores eléctricos son más eficientes, debido a que la velocidad del motor neumático varía con la carga, no pueden mantener una velocidad constante sin controles de regulador. A este respecto, los motores eléctricos son mejores.

6.2. Tipos de motores neumáticos

6.2.1. Motores de émbolo

Se distingue todavía un subgrupo, que comprende los motores axiales y radiales. Por medio de cilindros con movimiento alternativo, el aire comprimido acciona, a través de una biela, el árbol de transmisión del motor. Con la finalidad de eliminar la vibración son necesarios varios cilindros. La potencia del motor está en función de la presión de entrada, de la cantidad de cilindros y de su superficie.

Motor Radial


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El funcionamiento del motor axial es idéntico al del radial. La fuerza engendrada por 5 cilindros dispuestos axialmente es transformada en un movimiento rotativo por medio de un plato oscilante. Dos cilindros actúan simultáneamente para equilibrar el par y obtener un movimiento regular.

Motor Axial

La velocidad máxima es de 5000 rev/min.

6.2.2. Motor de láminas, paletas

Para reducir el peso y simplificar la construcción, se utilizan estos motores, cuyo principio es inverso al de los compresores multicelulares (compresores rotativos).

Un rotor excéntrico lleva un cierto número de paletas que se deslizan y son oprimidas contra la pared interna por la fuerza centrífuga, realizando así la estanqueidad de las cámaras. La pequeña cantidad de aire presente oprime a las láminas, antes de que el motor se ponga en marcha. En otros tipos las paletas son oprimidas por muelles alojados en las ranuras. Por lo general, estos motores tienen de 3 a 10 láminas, que crean las cámaras en el interior del motor. La cantidad de aire necesaria es en función de la superficie de ataque de la paleta. El aire entra en la más pequeña y se dilata a medida que el volumen de la cámara aumenta. Motor de Paletas

Giro a la izquierda Giro a la derecha

Estos motores funcionan desde 100 hasta 25 000 rpm.


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6.2.3. Motor de turbina

En estos se convierte aire a alta presión y baja velocidad en aire a baja presión y alta velocidad, al hacerlo pasar por boquillas dosificadoras. Una ventaja de esta disposición es que no se tiene contacto de frotamiento o deslizamiento entre las partes giratorias y la cavidad del cuerpo. Con esto se reduce el desgaste y no se requiere aire lubricado sólo a temperaturas ambiente bajas, debido al problema del lubricante. Son motores de par bajo y alta velocidad, para el mismo volumen de aire, en comparación con los de pistones o de paletas. No se utilizan más que para potencia pequeña y sus velocidades son muy grandes (hasta 500000 rev/min). Su principio de funcionamiento es inverso al de los turbocompresores.

6.2.4. Motor Gerotor

En la figura se muestra un motor Gerotor. Estos son motores neumáticos que se usan principalmente para rpm y presión bajas, como de 20 a 30 rpm. Como consecuencia, pueden no resultar adecuados para aplicaciones con alto por motor.

Motor gerotor

6.2.5. Características de los motores de aire comprimido

Regulación continua de la velocidad de rotación y del par pequeñas dimensiones (y reducido peso). Gran fiabilidiad, incluso con sobrecargas. Insensibilidad al polvo, agua y cambios de temperatura. Ausencia de peligro de explosión. Campo de velocidades muy grande. Mantenimiento casi nulo. Reversibilidad fácil del sentido de rotación.

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