t10 introduccion neu

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Neumática e Hidráulica

Ingeniería Eléctrica y Energética

Máquinas y Motores Térmicos

Departamento:

Area:

CARLOS J RENEDO [email protected]

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

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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

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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

1zwEEEE

2

prescpot]J[

γ++=

p

g2

VzH

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

22perextaña

1

2

11

p

g2

VzHHH

p

g2

Vz ]m[

]peso el siendo[ w

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• V. Dinámica, µ [ Pa s]:

• V. Cinemática, ν [m2/s]:

dy

dVµ=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:

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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, µVisco.cinem., ν

Peso

específico, γDensidad, 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,

ρAGUA

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Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (I)

8


Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (II)

Multiplicador de fuerza (I)

A

Fp = 21 pp =

2

2

1

1

A

F

A

F=

1

212

A

AFF =

1

212

F

FAA =

Sin diferencia de cotas

Incremento de fuerza producido

Area requeridaPrimera

aproximación

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Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (III)

Multiplicador de fuerza (II)

2

121

A

AFF =

• Coche de 1.500 kgf

• A1 de 5 x 5 cm

• A2 de 5.000 x 2.000 cm

( ) f26

22

f1 kg0037,0N037,0cm1010

cm25s/m8,9kg500.1F ===

Muy sensible

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Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (IV)

Multiplicador de fuerza (III)

• Coche de 1.500 kgf

• A1 de 5 x 5 cm

• F1 de 10 kgf

( )( )

cm61x61cm750.3s/m8,9kg10

s/m8,9kg500.1cm25A 2

2f

2f2

2 ≈==

1

212

F

FAA =

11


Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (V)

Multiplicador de distancia (I)

111 ASdesplazadoVolumen =

[ ] [ ] 21 .d.V.d.V =

2211 ASAS =

2

112

A

ASS =

2

112

S

SAA =

Multiplicador de distancia

Area requerida

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Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (VI)

Multiplicador de distancia (II)

No práctico

1

221

A

ASS =

• A1 de 5 x 5 cm

• A2 de 61 x 61 cm

• S2 de 0,5 m

m75cm25

cm750.3m5,0S

2

2

1 ==

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Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (VII)

Multiplicador de distancia (III)

• A2 de 61 x 61 cm

• S1 de 2 m

• S2 de 0,5 m

cm31x31cm5,937m2

m5,0cm750.3S 22

1 ≈==

1

221

S

SAA =

( ) f2

22

f1 kg370N703.3cm721.3

cm5,937s/m8,9kg500.1F ===⇒

Compaginar: fuerzas, áreas y distancias

Posible enlazar varios sistemas

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Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (VIII)

Multiplicador de presión (I)

21 FF =

Equilibrio

A

Fp = 2211 ApAp =

2

112

A

App =

2

112

p

pAA =

Multiplicador de presión

Area requerida

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Aplicaciones neumáticas e hidráulicas (IX)

Multiplicador de presión (II)

Posible problema de sobre presiones

2

112

A

App =

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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)

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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

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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

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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

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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

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Humedad del aire (VII)

aire con 1 gr/m3

más fácil que condense la

humedad

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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 gruesoSe 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 intermediaEn la salida del compresor se instala una unidad de refrigeración, un depósito de purgade condensados, y el depósito acumulador

Finalmente se instala una unidad de mantenimiento: filtro, regulador de presión y lubricador

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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)

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Tratamiento del aire (III)

Filtro de aire:

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Tratamiento del aire (IV)

Unidad de mantenimiento:

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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.

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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.

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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.

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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)

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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?

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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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