Introducción a la Neumática e Hidráulica

1
Neumática e Hidráulica
Ingeniería Eléctrica y Energética
Máquinas y Motores Térmicos
Departamento:
Area:
CARLOS J RENEDO renedoc@unican.es
Despachos: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28
http://personales.unican.es/renedoc/index.htm
Tlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82
N. T10.- Introducción a la Neumática
Las trasparencias son el material de apoyo del profesor
para impartir la clase. No son apuntes de la asignatura.
Al alumno le pueden servir como guía para recopilar
información (libros, …) y elaborar sus propios apuntes
2
T 10.- INTRODUCCION A LA NEUMATICA
Frente a la energía eléctrica:
Ventajas
– Regulación de velocidad sencilla
(estrangulación)
– Fácil almacenamiento de energía
– Elementos de funcionamiento sencillo
– Sistema seguro, las fugas no son peligrosas,
sin peligro de incendio o explosiones
– Fácil bloqueo de los actuadores
Inconvenientes:
– Mayor coste de la energía
€ E Neu = 10 € E Elec
Velocidad de transmisión reducida
(< 10 m/s)
– Distancias de transporte limitadas
(< 1 km)
Neumática: técnica que utiliza el aire comprimido (p > patm) para trasmitir energía
si (p < patm técnicas de vacío)
Frente a la hidráulica:
Ventajas
– Mayor velocidad de transmisión
(10 m/s frente a 3 m/s)
– No necesita tuberías de retorno
– Fugas limpias
– Mayor distancia de transporte
(1 km frente a 100 m)
– Menos sensible a los cambios de Tª
– Componentes más baratos
Inconvenientes:
– Presión de trabajo limitada
(12 bars frente a )
– Mayor coste de la energía
€ E Neu = 2,5 € E Hid
– Permiten mayores fuerzas
(F Neu < 30.000 N ; F Hid ↑↑ )
– Ruido en los escapes
– La compresibilidad del aire puede acarrear
movimientos inversos

3
Fuerza: (masa . aceleración)
Newton, 1 N = 1 kg.m/s2
1 kgf = 1 kp = 9,8 N
Peso específico: (peso / vol = densidad.g)
N / m3 = (k / m3).(m/s2) = (kg.m/s)/ m3
Presión : (fuerza / superficie)
Pascal, 1 Pa = 1 N/m2
1 bar = 100.000 Pa
Pabs = Patm + Pman
Trabajo: (fuerza . desplazamiento)
Julio, 1 J = 1 N.m
Potencia: (trabajo / tiempo)
Vatio, 1 W = 1 J / s
1 CV = 736 W
Magnitudes, unidades, equivalencias y Leyes de comportamiento
Ecuación fundamental de la Hidrostática
PA -PB = ρ.g.(hA-hB) = γ.(hA-hB)
En los gases perfectos:
P.V = n.R.T
Si T = cte: ⇒ P.V = cte (P es Pabs)
Si P = cte: ⇒ T / V = cte (T en K)
Si V = cte: ⇒ P / T = cte
(P es Pabs, T en K)
Proceso rápido (adiabático, sin Q)
P.Vγ= cte (γaire = 1,4)
Caudal:
Peso de un flujo:
Masa de un flujo:
QW γ=
QM ρ=
]s/Nw[
]s/kg[
]s/m[ 3
4
21 MM = )VA()VA( 222111 ρ=ρ
222111 VAVA γ=γ
Si el fluido es incompresible (en tubería corta), y γ1 = γ2
2211 VAVA =21 QQ =
2211 QQ ρ=ρ
]g[×
Ec de la continuidad de un flujo
La energía total de un fluido es:
Se puede expresar, ( /w), en unidades de altura, y es la altura de carga H
γ
++=++=
wp
g
Vw
2
1
zwEEEE
2
prescpot
]J[
γ
++=
p
g2
V
zH
2 z cota o cabeza de elevación
[V2/2g] altura de velocidad o cab. de vel.
[p/γ] altura de presión o cab. de presión
]m[








γ
++=−−+








γ
++ 2
2
2
2perextaña
1
2
1
1
p
g2
V
zHHH
p
g2
V
z ]m[
]pesoelsiendo[ w

5
• V. Dinámica, µ [ Pa s]:
• V. Cinemática, ν [m2/s]:
dy
dV
µ=τ
γ
µ
=
γ
µ
=
ρ
µ
=ν
g
g/
• Líquidos µ ↓ al ⁭ Tª
• Gas µ ⁭ al ⁭ Tª1,8 10-5 Pa sAire
10-3 Pa sAgua
• Poisse: 1.000 cPoise = 1 Pa s
• Stoke: 10.000 Stokes = 1m2/s
1,51 10-5 m2/ sAire
1,1 10-6 m2/ sAgua
Viscosidad:
resistencia a fluir, a la velocidad de deformación
(entre las capas del fluido)
HQPot γ= [ ]Wseg/Jseg/mNwmseg/mm/Nw 33
===
La potencia de un flujo es:
6
2,3 10-523 10-69,280,95100
2,09 10-520,9 10-69,8180
1,95 10-517,9 10-610,71,0950
1,81 10-515,1 10-611,81,220
1,725 10-513,3 10-612,71,290
(Nw s / m2)(m2/s)Nw/m3kg / m3ºC
Visco.
dinámica, µ
Visco.cinem., ν
Peso
específico, γ
Densidad, ρAIRE
2,07101,30,05892,82 10-49,4958100
2,247,40,06263,5 10-49,5397180
2,2912,30,06795,41 10-49,6998850
2,182,340,07281,02 10-39,7999820
2,020,6110,07561,75 10-39,8110000
GPakPa(Nw / m)(Nw s / m2)kNw/m3kg / m3ºC
Mod elas.
E
Presión
vapor
Tensión
superficial
Visco.
dinámica, µ
Peso
específico, γ
Densidad,
ρ
AGUA

7
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (I)
8
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (II)
Multiplicador de fuerza (I)
A
F
p = 21 pp =
2
2
1
1
A
F
A
F
=
1
2
12
A
A
FF =
1
2
12
F
F
AA =
Sin diferencia
de cotas
Incremento de
fuerza producido
Area requerida
Primera
aproximación

9
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (III)
Multiplicador de fuerza (II)
2
1
21
A
A
FF =
• Coche de 1.500 kgf
• A1 de 5 x 5 cm
• A2 de 5.000 x 2.000 cm
( ) f26
2
2
f1 kg0037,0N037,0
cm1010
cm25
s/m8,9kg500.1F ===
Muy sensible
10
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (IV)
Multiplicador de fuerza (III)
• Coche de 1.500 kgf
• A1 de 5 x 5 cm
• F1 de 10 kgf
( )
( ) cm61x61cm750.3
s/m8,9kg10
s/m8,9kg500.1
cm25A 2
2
f
2
f2
2 ≈==
1
2
12
F
F
AA =

11
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (V)
Multiplicador de distancia (I)
111 ASdesplazadoVolumen =
[ ] [ ]21 .d.V.d.V =
2211 ASAS =
2
1
12
A
A
SS =
2
1
12
S
S
AA =
Multiplicador
de distancia
Area requerida
12
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (VI)
Multiplicador de distancia (II)
No práctico
1
2
21
A
A
SS =
• A1 de 5 x 5 cm
• A2 de 61 x 61 cm
• S2 de 0,5 m
m75
cm25
cm750.3
m5,0S 2
2
1 ==

13
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (VII)
Multiplicador de distancia (III)
• A2 de 61 x 61 cm
• S1 de 2 m
• S2 de 0,5 m
cm31x31cm5,937
m2
m5,0
cm750.3S 22
1 ≈==
1
2
21
S
S
AA =
( ) f2
2
2
f1 kg370N703.3
cm721.3
cm5,937
s/m8,9kg500.1F ===⇒
Compaginar: fuerzas, áreas y distancias
Posible enlazar varios sistemas
14
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (VIII)
Multiplicador de presión (I)
21 FF =
Equilibrio
A
F
p = 2211 ApAp =
2
1
12
A
A
pp =
2
1
12
p
p
AA =
Multiplicador
de presión
Area requerida

15
Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (IX)
Multiplicador de presión (II)
Posible problema de
sobre presiones
2
1
12
A
A
pp =
16
Humedad Absoluta (W): Cantidad de
agua contenida por m3 de aire
Humedad Relativa (HR): porcentaje
de humedad del aire sobre la
humedad máxima
Trocío: Temperatura por debajo de la
cual la humedad ambiente
empieza a condensar
Humedad del aire (I)
El aire atmosférico contiene humedad ambiente (Diagrama Psicrométrico)
Aire Saturado: aire que contiene toda la humedad posible, si se añade más agua esta
condensa; la cantidad de agua depende de las condiciones del aire

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(TBS – TBH)
gasa
humedecida
TBS TBH
Aire
Termómetros:
• Temperatura de bulbo seco, TBS (Taire)
• Temperatura de bulbo húmedo, TBH (Tagua)
TBS = TBH ⇒ aire saturado
TBS > TBH ⇒ aire no saturado
(TBS – TBH) en tablas HR
Si (TBS >>> TBH) ⇒ HR baja
Si (TBS ≈ TBH) ⇒ HR alta
Humedad del aire (II)
18
Compresión
supuesta
adiabática
Al comprimir el aire ↓V ⇒ HR ↑
Al comprimir el aire ↑T ⇒ HR ↓
Humedad del aire (III)
La cantidad de agua que es capaz de contener 1 m3 de aire es función de su temperatura, y
no de su presión.
Wmax = f (T)
Predominante
10 m3, 1 bar, 20ºC
10 gr agua /m3
(100 gr de agua)
1,92 m3
10 bar
288ºC
(100 gr de agua)
52 gr agua / m3Utilizando
Progases

19
Humedad del aire (IV)
Si a 20ºC y 10 gr/m3 se comprime hasta 288ºC y 52 gr/m3
Condensará
Se enfriará a T
ambiente en
tuberías y/o
acumulador
20
Humedad del aire (V)
La utilización real del diagrama es con horizontales sobre la T ambiente
Condensa
Máx humedad 22 g/m3
Mín vol 4,545 m3
Máx comp. 3 b, 129ºC
Utilizando
Progases

21
Humedad del aire (VI)
Patm, el aire con 18gr/m3 ⇒ TR= 15ºC
P = 1 bar ⇒ TR= 30ºC
P = 2 bar ⇒ TR= 40ºC
Al ↑P ⇒ ↑ TR
es más fácil que condense la humedad
El agua es perjudicial en la instalación;
hay que eliminarla
22
Humedad del aire (VII)
aire con 1 gr/m3
más fácil que
condense la
humedad

23
Tratamiento del aire (I)
El aire contiene impurezas (óxidos, virutas, …) y humedad, que son perjudiciales para los
dispositivos de la instalación
En la toma de aire (aspiración del compresor) hay que instalar un filtro grueso
Se pude disponer un enfriador de aire, mejora el rendimiento del compresor, y seca el aire
Si la compresión es por etapas se debe instalar una refrigeración intermedia
En la salida del compresor se instala una unidad de refrigeración, un depósito de purga
de condensados, y el depósito acumulador
Finalmente se instala una unidad de mantenimiento: filtro, regulador de presión y
lubricador
24
Tratamiento del aire (II)
Filtro de aire: retienen partículas sólidas y agua
condensada (cambio de dirección,
choque, centrifugado, filtro; purga
Presión y Tª máxima admisible
Filtros secadores: material adsorbente
Regulador de presión: consigue P estable en la instalación (la P del compresor es mayor
que la de uso, el acumulador y el regulador reducen el nº de
arranques del compresor
Resortes y membranas
Manómetro
Lubricadores: disminuir el desgaste de las partes móviles
Fina niebla de aceite en el aire comprimido
(efecto Venturi)

25
Tratamiento del aire (III)
Filtro de aire:
26
Tratamiento del aire (IV)
Unidad de mantenimiento:

27
En la cámara del cilindro de un compresor hay 1 litro de aire (Patm). Que
presión se crearía si se redujera el volumen lentamente hasta 0,1 litros.
28
En un acumulador de 100 litros el manómetro marca 10 bar cuando la T es
de 20ºC. Que presión marcará si la T sube a 35ºC.

29
En un acumulador de 100 litros el manómetro marca 10 bar cuando la T es
de 100ºC. Que presión marcará si la T baja a 20ºC.
30
Un cilindro vertical que soporta una masa de 70 kg, contiene en su cámara
un volumen de 5 litros de aire a 20ºC. Cuanto se eleva la masa si su
temperatura asciende a 50ºC. (sección del cilindro 10 cm2)

31
El émbolo de un compresor aspira 1 litro de aire atmosférico a 20ºC.
Cuando el volumen se ha reducido a 0,25 litros se abre la válvula de
impulsión y el aire va hacia un acumulador, ¿a que presión relativa es
impulsado, ¿a que T (suponer sin intercambio de calor)?, ¿qué presión
habrá después de llenar un acumulador de 50 litros si se refrigera a 25ºC?
32
Un compresor aspira 6 m3/min de aire a 20ºC y un 60% de HR. Si el aire en
la instalación está a 6 bar y 30ºC, calcular la cantidad de agua que
condensa al cabo de 8 h de trabajo

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