Este documento proporciona una introducción a la neumática e hidráulica. Explica las propiedades del aire comprimido, los componentes básicos de un circuito neumático como compresores, depósitos, tuberías, válvulas y actuadores, y los principios físicos que rigen la presión y la fuerza de los fluidos. También describe las ventajas e inconvenientes del uso de aire comprimido en la industria.

1. Unidad Didáctica “Neumática e hidráulica” 4º ESO

2. Introducción ¿Que es Neumática ? La técnica que trata del aprovechamiento de las propiedades que tiene el aire comprimido. Propiedades del aire comprimido : Fluidez: no ofrecen ningún tipo de resistencia al desplazamiento. Compresibilidad: un gas se puede comprimir en un recipiente cerrado aumentando la presión. Elasticidad: la presión ejercida en un gas se transmite con igual intensidad en todas las direcciones ocupando todo el volumen que lo engloba.

3. Composición del aire El aire que respiramos es elástico, comprimible y fluido. Damos por hecho que el aire llena todo el espacio que lo contiene. El aire se compone básicamente de nitrógeno y de oxígeno. Composición por Volumen Nitrogeno 78.09% N 2 Oxígeno 20.95% O 2 Argón 0.93% Ar Otros 0.03%

4. Atmósfera y vacio La potencia de la presión atmosférica es evidente en la industria de manipulación donde se utilizan ventosas y equipos de vacio. El vacio se consigue evacuando todo el aire de un sitio determinado.

5. Aire comprimido industrial Las presiones se dan en bar (relativos a la presión atmosférica). El zero del manómetro es la presión atmosférica. Para cálculos se utiliza la presión absoluta: Pa = Pg + Patmósfera. Se asume para cálculos rápidos que 1 atmósfera equivale a 1.000 mbar. En realidad 1 atmósfera equivale a 1.013 mbar. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Presión absolutabar Presión manométrica bar Vacio total Atmósfera Rango Industrial ampliado Rango bajo Rango industrial típico

6. Unidades de presión Existen diversas unidades de medida de presión. Se muestran algunas de ellas y sus equivalencias: 1 bar = 100.000 N/m2 1 bar = 100 kPa 1 bar = 14.50 psi 1 bar = 10.197 kgf/m 2 1 mm Hg = 1,334 mbar approx. 1 mm H 2 O = 0,0979 mbar approx. 1 Torr = 1mmHg abs (para vacio)

7. Presión y fuerza El aire comprimido ejerce una fuerza de igual valor en todas las direcciones de la superficie del recipiente que lo contiene. El líquido en un recipiente será presurizado y transmitido con igual fuerza. Por cada bar de manómetro, se ejercen 10 Newtons uniformemente sobre cada centímetro cuadrado.

8. Presión y fuerza La fuerza que se desarrolla sobre un pistón debida a la presión del aire comprimido es el área efectiva multiplicada por la presión: D mm P bar Fuerza = D 2 40 P Newtons 

9. Propiedades de los fluidos, principios básicos Presión = Fuerza / Superficie Presión : se define como la relación entre la fuerza ejercida sobre la superficie de un cuerpo. Unidades : 1 atmósfera ≈ 1 bar = 1 kg/cm 2 = 10 5 pascal Caudal : es la cantidad de fluido que atraviesa la unidad de superficie en la unidad de tiempo. Caudal = Volumen / tiempo Potencia : es la presión que ejercemos multiplicada por el caudal. W(potencia) = Presión * Caudal

10. Presión atmosférica, absoluta y relativa Los manómetros indican el valor de presión relativa

11. Ventajas del aire comprimido - Es abundante (disponible de manera ilimitada). - Transportable (fácilmente transportable, además los conductos de retorno son innecesarios). - Se puede almacenar (permite el almacenamiento en depósitos). - Resistente a las variaciones de temperatura. - Es seguro, antideflagrante (no existe peligro de explosión ni incendio). - Limpio (lo que es importante para industrias como las químicas, alimentarias, textiles, etc.). - Los elementos que constituyen un sistema neumático, son simples y de fácil comprensión). - La velocidad de trabajo es alta. - Tanto la velocidad como las fuerzas son regulables de una manera continua. - Aguanta bien las sobrecargas (no existen riesgos de sobrecarga, ya que cuando ésta existe, el elemento de trabajo simplemente para sin daño alguno).

12. Desventajas del aire comprimido Necesita de preparación antes de su utilización (eliminación de impurezas y humedad). Debido a la compresibilidad del aire, no permite velocidades de los elementos de trabajo regulares y constantes. Los esfuerzos de trabajo son limitados (de 20 a 30000 N). Es ruidoso, debido a los escapes de aire después de su utilización. - Es costoso. Es una energía cara, que en cierto punto es compensada por el buen rendimiento y la facilidad de implantación.

13. Fundamentos físicos La ley de los gases perfectos relaciona tres magnitudes, presión (P), volumen (V) y temperatura (T), mediante la siguiente fórmula: P * V =m * R * T Donde : P = presión (N/m 2 ). V = volumen especifico ( m 3 /kg) . m = masa (kg). R = constante del aire (R = 286,9 J/kg*ºk). T = temperatura (ºk)

14. Fundamentos físicos - Si mantenemos constante la temperatura tenemos: P * V = cte. Luego en dos estados distintos tendremos: P 1 * V 1 = P 2 * V 2 P 1 / P 2 = V 2 /V 1 ley de Boyle-Mariotte

15. Fundamentos físicos Si ahora mantenemos la presión constante tenemos. V/T = cte. Luego en dos estados distintos tendremos: V 1 /T 1 = V 2 /T 2 ley de Gay-Lussac Si ahora mantenemos el volumen constante tenemos. P/T = cte. Luego en dos estados distintos tendremos: P 1 /T 1 = P 2 /T 2 ley de Charles

16. Fluidos hidráulicos E l Principio de Pascal , que dice así: Cuando se aplica presión a un fluido encerrado en un recipiente, esta presión se transmite instantáneamente y por igual en todas direcciones del fluido . P = F 1 /S 1 y P = F 2 /S 2 Por lo que podemos poner F 1 /S 1 = F 2 /S 2 otra forma de expresarlo es: F 1 * S 2 = F 2 * S 1

17. Circuitos neumáticos

18. Elementos básicos de un circuito neumático El generador de aire comprimido Las tuberías y los conductos Los actuadores Los elementos de mando y control

19. Elementos de los circuitos neumáticos Compresor Deposito (Calderín) Filtro Elementos de medida (manómetro) Válvula de seguridad Unidad de mantenimiento (Filtros y lubrificador) Conductos Válvulas reguladoras y de control Elementos actuadores

20. Compresor Son los encargados de comprimir el aire que se toma de la atmósfera. Existen diferentes tipos de compresores en función de la forma de comprimir el aire: De pistón (monofásico o bifásico) De tornillo

21. Producción y distribución del aire comprimido Compresor de émbolo Compresor de paletas Compresor de husillo o Roots Compresor de tornillo Turbocompresor Símbolo de compresor

22. Depósito o calderín Es donde se almacenará el aire antes de ser usado En muchas ocasiones antes de almacenar el aire pasa por elementos refrigeradores para bajar la temperatura del aire que en el proceso de compresión se ha calentado.

23. Válvula de seguridad y unidad de medida La válvula de seguridad se encuentra en el calderín y es la encargada de que no se supere la presión máxima para la cual esta tarado o preparado el calderín. En el calderín también existe un manómetro que nos indica la presión del mismo.

24. TUBERÍAS Las tuberías principales del circuito neumático suelen ser de acero o de latón, que se unen mediante soldadura o racores (uniones roscadas), mientras que los tubos de conexión a los distintos receptores suelen ser de polietileno y poliamida y se unen mediante enchufes rápidos. Distintos tipos de racores y enchufes rápidos para neumática.

25. ACTUADORES Existen motores neumáticos y actuadores rotativos para válvulas, pero los actuadores más usuales son los cilindros neumáticos. Según su modo de funcionamiento se dividen en cilindros de simple y de doble efecto. Actuador rotativo para abrir o cerrar una válvula Cilindro neumático

26. Elementos de trabajo: actuadores Motor de paletas Cilindro basculante Motor de paletas doble sentido

27. ACTUADORES CILINDRO DE SIMPLE EFECTO El aire introducido desplaza el pistón y el vástago hacia afuera, al dejar de entrar aire se produce el retroceso mediante un muelle.

28. ACTUADORES CILINDRO DE DOBLE EFECTO Tiene dos orificios para la entrada y la salida del aire, de esta forma cuando el aire entra por detrás del pistón el vástago avanza, mientras que cuando el aire entra por delante del pistón el vástago retrocede.

29. Elementos de trabajo: actuadores Cilindro de simple efecto Cilindro de doble efecto

30. Elementos actuadores Teniendo en cuenta que P=F/s la fuerza que podrá realizar un pistón de simple efecto al salir será la sección del émbolo por la presión del circuito menos la fuerza de oposición del muelle. En el retroceso lo que actúa es el muelle. En el caso de los cilindros de doble efecto la fuerza se calculará igual F=P*s . Pero habrá que tener en cuenta que la sección del émbolo no es la misma en el lado del vástago que en el otro, por lo tanto la fuerza será diferente. En el lado que no hay vástago al tener más sección sobre la que se efectúa el empuje se podrá realizar mas fuerza.

31. Válvulas reguladoras de control Son los elementos encargados de distribuir el aire por los diferentes circuitos. Son los órganos de control del circuito neumático. Se nombran en función del numero de posiciones que tienen y del los conductos por los que puede pasar el aire. Su accionamiento puede ser manual, mecánico, eléctrico o por aire.

32. Cómo se nombran las válvulas 1º· Número de Vías, es decir de orificios que presenta la válvula En este ejemplo 3 VÍAS 2º· Número de Posiciones En este caso 2 POSICIONES 3º· Accionamiento En este caso por BOTÓN 4º· Retroceso En este caso por MUELLE 5º· Nombre: Válvula 3/2 Botón/Muelle 6º· En ocasiones también se indica la posición normal, es decir aquella en la que se encuentra la válvula cuando no la hemos accionado. En la de arriba, cuando está sin accionar, el aire no pasa, por lo que se llama Normalmente Cerrada, N/C. En la de abajo pasa lo contrario, por tanto es Normalmente Abierta, N/A. 1 3 2

33. Accionamiento de las válvulas

34. Estructura simbología válvulas La función que cumple una válvula viene dada por 2 números separados por una barra, ej. 3/2.. El primer número indica el número de vías de la válvula. Es decir, entradas, salidas y escapes excluyendo los pilotajes y señales externas. El segundo número indica el número de posibles estados de la válvula.

35. Estructura simbología válvulas Así una válvula 3/2 dispone de 3 conexiones (normalmente una entrada, una salida y un escape) y 2 posiciones (una posición de reposo y otra actuada). Los cuadrados pertenecen a una sola válvula. normal actuada

36. Estructura simbología válvulas Cada una de las posiciones de la válvula se muestran unidas en el símbolo de la válvula. normal actuada El símbolo de la válvula muestra las posiciones unidas final con final. normal actuada

37. Estructura simbología válvulas Las conexiones se muestran en tan solo una de las posiciones y indican el estado que prevalece. normal Junto a una posición concreta se muestra el actuador correspondiente. Accionando el pulsador se actúa la válvula

38. Estructura simbología válvulas Junto a una posición concreta se muestra el actuador correspondiente. Accionando el pulsador se actúa la válvula Posición de reposo producida por un muelle Junto a una posición concreta se muestra el actuador correspondiente. Posición de reposo producida por un muelle Accionando el pulsador se actúa la válvula

39. Estructura simbología válvulas Cuando se actúa la válvula su símbolo se puede visualizar con las conexiones alineadas en cada uno de los estados. Cuando se actúa la válvula su símbolo se puede visualizar con las conexiones alineadas en cada uno de los estados.

40. Válvulas Válvula 2/2 Válvula 3/2 Posición de reposo Válvulas básicas antes de añadir los actuadores: Ejemplos, pulsador con retorno por muelle:

41. Válvulas Válvula 5/2 Válvula 4/2 Posición de reposo Válvulas básicas antes de añadir los actuadores: Ejemplos, pulsador con retorno por muelle:

42. Válvulas Actuada Válvula 5/2 Válvula 4/2 Válvulas básicas antes de añadir los actuadores: Ejemplos, pulsador con retorno por muelle:

43. ELEMENTOS DE MANDO Y CONTROL VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS Válvula 2/2

44. ELEMENTOS DE MANDO Y CONTROL VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS Válvula 3/2

45. ELEMENTOS DE MANDO Y CONTROL VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS Válvula 5/2

46. Válvulas auxiliares

47. Válvulas auxiliares Con las válvulas también se pueden realizar funciones lógicas. Función AND. Tiene que tener aire en las dos entradas para que haya en la salida Función OR. Tiene que haber aire en una entrada o en la otra para que haya a la salida.

48. Válvulas auxiliares Válvula OR Válvula AND

49. Válvulas auxiliares Existen válvulas para funciones especiales como: Válvulas direccionales Válvulas reguladoras de flujo o caudal Válvulas reguladoras unidireccionales Válvulas reguladoras de presión

50. Válvulas auxiliares Válvula antirretorno Válvula estranguladora unidireccional

51. Circuito neumático

52. Accionamiento cilindro s/e Accionamiento de un cilindro s/e. Variante vástago en reposo a más, pulsando a menos. Ver accionamiento cilindro s/e vástago extendido.

53. Accionamiento cilindro d/e Se precisan dos válvulas 3/2 para accionar un solo cilindro. Características del cilindro en posición de reposo.

54. Circuitos neumáticos Accionamiento indirecto de un cilindro de simple efecto.

55. Circuitos neumáticos Accionamiento indirecto de un cilindro de doble efecto, pulsamos A y sale y pulsamos B para recoger el cilindro.

56. Circuitos neumáticos Accionamiento de un cilindro de simple efecto desde dos pulsadores alternativos

57. Diseño de circuitos neumáticos Actuadores. Elementos de control. Funciones lógicas. Emisores de señal, señales de control. Toma de presión y unidad de mantenimiento. Colocación de elementos