Introducción, fundamentos y simbologia
1.1 CONCEPTOS BÁSICOS DE LA
NEUMÁTICA
Para producir
el aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. La
presión de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador y existe
en las tuberías que recorren el circuito. El compresor normalmente lleva el
aire a un depósito para después coger el aire para el circuito del depósito.
Este depósito tiene un manómetro para regular la presión del aire y un
termómetro para controlar la temperatura del mismo. El filtro tiene la misión
de extraer del aire comprimido circulante
todas las impurezas y el agua (humedad) que tiene el aire que se
puede condensar. Todos estos componentes se llaman circuito de control.
¿Por qué usar un sistema neumático?:
La automatización tiene como fin aumentar la
competitividad de la industria por lo que requiere la utilización de nuevas
tecnologías; por esta . razón, cada vez es más necesario que toda persona
relacionada con la producción industrial tenga conocimiento de aquéllas.
La extensión de la automatización de forma
sencilla en cuanto a mecanismo, y además a bajo coste, se ha logrado utilizando
técnicas relacionadas con la neumática, la cual se basa en la utilización del
aire comprimido, y es empleada en la mayor parte de las máquinas modernas.
La automatización industrial, a través de
componentes neumáticos, es una de las soluciones más sencillas, rentables y con
mayor futuro de aplicación en la industria.
El aire comprimido es la mayor fuente de
potencia en la industria con múltiples ventajas.
Es segura, económica, fácil de transmitir, y
adaptable. Su aplicación es muy amplia para un gran número de industrias.
Algunas aplicaciones son practicante imposible con otros medios energéticos.
APLICACIONES
Dentro del campo de la producción industrial,
la neumática tiene una aplicación creciente en las más variadas funciones, No
sólo entra a formar parte en la construcción de máquinas, sino que va desde el
uso doméstico hasta la utilización en la técnica de investigación nuclear, pasando
por la producción industrial.
En la actualidad, la necesidad de automatizar
la producción no afecta únicamente a las grandes empresas, sino también a la
pequeña industria. Incluso la industria artesana se ve obligada a desarrollar
métodos de producción racionales que excluyan el trabajo manual y no dependan
de la habilidad humana. La fuerza muscular y la habilidad manual deben
sustituirse por la fuerza y precisión mecánica.
La fuerza neumática puede realizar muchas
funciones mejor y más rápidamente, de forma más regular y sobre todo durante
más tiempo sin sufrir los efectos de la fatiga.
Ventajas de la Neumática
En forma genérica destacamos:
- Reducción de costos de mano de obra
directos en la operación de los equipos.
- Uniformidad en el proceso de producción y
reducción de producto no conforme.
- Posibilidad de reprogramar a mediano y
largo plazo.
- Aumento de la capacidad de la instalación y
eficiencia en los procesos.
- Cantidad: el aire se encuentra disponible
prácticamente en todos los lugares en cantidades ilimitadas.
-Almacenamiento: Mediante acumuladores es
posible recopilar aire para abastecer el equipo de trabajo.
-Transporte: El aire puede ser llevado a
través de tuberías a grandes distancias sin necesidad de instalar una red de
retorno y puede también ser trasladado mediante recipientes Cilindros o
botellas con aire comprimido.
- Seguridad: No existe riesgo de explosión ni
de incendio, lo que minimiza la necesidad de adecuar sistemas de seguridad en
industrias textiles, del papel, de la madera y de la goma.
-Velocidad: Los actuadores neumáticos
presentan gran rapidez en sus movimientos que pueden ser fácilmente regulables.
-Temperatura: Las variaciones de temperatura
no afectan de manera representativa el comportamiento de los equipos neumáticos,
permitiendo un funcionamiento seguro sin importar las condiciones extremas de
trabajo.
-Limpio: El aire no contamina el medio
ambiente, siempre y cuando no se le acondicionen lubricadores; este detalle es
importante tenerlo en cuenta en aplicaciones donde se trabaja con alimentos,
con productos farmacéuticos y aquellos productos que requieran algunas
condiciones de higiene.
- Constitución de los elementos: La
concepción de los elementos de trabajo es simple, por tanto el precio es
económico.
- A prueba de sobrecargas: Las herramientas y
elementos de trabajo neumáticos pueden ir hasta su parada completa sin riesgo
alguno, puesto que éstos paran en caso de sobrecarga de los sistemas.
- Tecnología de fácil aprendizaje y agradable
manejo, debido a la sencillez de sus componentes.
- Resistente a factores extremos de trabajo
como instalaciones expuestas a la suciedad, la humedad, campos magnéticos etc.
Desventajas de la Neumática
La neumática comparativamente con otras
tecnologías presenta algunas deficiencias:
- Fuerza: El aire comprimido es económico
sólo hasta cierta fuerza. Condicionado por la presión de servicio normalmente
usual de 700 kPa (7 bar), el límite, también en función de la carrera y la
velocidad, es de 20.000 a 30.000 N.
- Ruido: El aire que escapa de los elementos
neumáticos ocasiona bastante ruido, sin embargo éste puede ser controlado
ubicando elementos silenciadores o utilizando materiales in sonorizantes.
- Preparación: Antes de ser utilizado el aire
debe ser llevado a un proceso de limpieza y secado, procurando conservar los
elementos neumáticos exentos de desgaste, esto lo hace demasiado costoso.
- Movimientos heterogéneos: Debido a la
compresión del aire se presentan variaciones en el comportamiento de las
velocidades de los actuadores no se pueden obtener movimientos uniformes ni
precisos.
- Costos: La preparación del aire hace que
ésta tecnología, tenga costos de funcionamiento elevados, esto es compensado
con el bajo valor de sus componentes.
Fundamentos físicos de la neumática
Generalidades
La neumática presta en la práctica industrial una
esencial aportación como magnífico medio de racionalización y automatización.
La automatización de dispositivos, maquinaria y
procesos industriales aplicando la neumática, ha sido posible debido a la
existencia de una gran variedad de elementos de trabajo, mando y regulación,
que permiten una construcción económica, sencilla y confiable.
¿Qué es automatizar? Es liberar al hombre de
manipulaciones que requieren poco o ningún esfuerzo mental y de
responsabilidad. Sobre todo en el desarrollo de trabajos en los cuales hay que
observar forzosamente un determinado orden de procesos individuales; unos
dispositivos adecuados pueden suplir esta actividad humana de forma más rápida,
con una calidad constante y perseverancia incansable.
Para la utilización correcta de los elementos
neumáticos en la automatización industrial, es necesario, conocer la estructura
y funcionamiento de estos equipos. Al mismo tiempo aprender normas,
definiciones de conceptos y ser capaz de proyectar y montar sencillos
automatismos y los mandos básicos. Para todo esto es necesario tomar en cuenta
las características del aire comprimido, su producción, distribución, manejo y
sus posibilidades de aplicación.
Pero ¿Porqué automatizar? El desarrollo acelerado
de la ciencia y la tecnología obliga al mundo a automatizar sus sistemas de
producción para poder ser mas competitivos en el mercado.
En poco tiempo la neumática se ha impuesto como la
gran solución para cualquier problema industrial. Limpia segura y eficiente, la
neumática dispone de una gran ventaja: El empleo del aire como fuente de
energía. Con mucha frecuencia se resuelven mejor los problemas de diseño,
operación y mantenimiento con mayor sencillez y a menos costo que con los
métodos tradicionales, mecánicos, eléctricos o electrónicos.
Antecedentes de la Neumática
Los términos neumáticos y neumática provienen de la
palabra griega “pneuma”, que significa aliento o soplo. En su acepción
original, la neumática se ocupa de la dinámica del aire y de los fenómenos
gaseosos, pero la técnica ha creado de ella un concepto propio, pues en
neumática solo se habla de la aplicación de la sobrepresión o de la presión
(vacío).
El primero de que se sabe con seguridad que se
ocupó de la neumática, es decir, de la utilización de aire a presión como
elemento de trabajo, fue el griego Ktesibios, quien hace mas de 2000 años
construyó una catapulta de aire comprimido.
Las primeras invenciones, que trabajan a base de
aire caliente, fueron diseñadas con preferencia para objetivos de culto o para
la guerra. La enciclopedia técnica editada en 1774 por Diderot, contiene la
vista en sección de un fusil neumático junto con otros aparatos neumáticos.
Hace aproximadamente 100 años se inventaron varios
dispositivos neumáticos como el correo neumático, el freno de aire comprimido,
el martillo de remachar, el perforador de percusión y otras herramientas
neumáticas.
Además de un tranvía de accionamiento neumático,
hubo varios sistemas neumáticos para los ferrocarriles. Algunos de estos
inventos siguen aún en uso en una ejecución mejorada y el de otros desapareció
a causa de dificultades técnicas o de otro tipo.
La neumática moderna con sus múltiples
posibilidades de aplicación se inició en Alemania a partir de 1950, con el
perfeccionamiento de las técnicas ya existentes para ser aplicadas en los
procesos de fabricación, inventándose nuevos aparatos y sistemas.
En la actualidad, las aplicaciones industriales de
la neumática, son muy variadas y su futuro es muy prometedor dado el cada día
mayor desarrollo y perfeccionamiento de los elementos neumáticos hace posible
en todas las ramas de la industria moderna.
Modelo del control de la puerta de un templo,
realizado por Heron de Alejandría (Siglo 2 DC). Cuando era encendido un fuego
sobre el altar, el aire dentro de la olla con agua era calentado y presionado
al agua obligándola a circular al recipiente de expansión. El incremento del
peso del recipiente de expansión provocaba un descenso de este y jalaba la
cuerda.
De esta manera los ejes giratorios eran movidos
junto con las puertas del templo.
Cuando el fuego era extinguido, el agua circulaba de regreso a la olla, el contrapeso jala la cuerdade tal forma que los ejes giratorios regresaban a sus posiciones originales.
Cuando el fuego era extinguido, el agua circulaba de regreso a la olla, el contrapeso jala la cuerdade tal forma que los ejes giratorios regresaban a sus posiciones originales.
Composición del aire
La atmósfera está compuesta por aire que es una
mezcla indispensable para la vida y su composición al nivel del mar es
aproximadamente:
Elemento
|
Símbolo
|
Composición
Volumétrica %
|
Composición
Gravimétrica %
|
Nitrógeno
|
N2
|
78.03
|
75.5
|
Oxígeno
|
O2
|
20.99
|
23.2
|
Argón
|
A
|
0.94
|
1.3
|
Bióxido
de Carbono
|
CO2
|
0.028314
|
|
Hidrógeno
|
H2
|
0.01
|
|
Neon
|
Ne
|
0.00123
|
|
Helio
|
He
|
0.0004
|
|
Criptón
|
Kr
|
0.00005
|
|
Xenón
|
Xe
|
0.000006
|
Para fines ordinarios, se toma la composición como:
Elemento
|
Símbolo
|
Composición
Volumétrica %
|
Composición
Gravimétrica %
|
Nitrógeno
|
N2
|
79
|
76.8
|
Oxígeno
|
O2
|
21
|
23.2
|
Experimento
de Torricelli
Este experimento permite verificar la existencia y determinar
el valor de la presión atmosférica.
Consiste en llenar con mercurio puro seco, un tubo
de vidrio de 80 cm de longitud, cerrado por un extremo.
Una vez lleno se invierte y se introduce en el seno
del mercurio contenido en un recipiente, comprobándose que el líquido contenido
en el tubo desciende en el hasta quedar detenido a una altura de 76 cm, sobre
el nivel del líquido en el recipiente.
Esta altura es independiente de la sección del tubo
y de la posición del mismo, ya sea vertical o inclinado y su valor varía según
el instante en que la experiencia se lleve a cabo y la localidad en que esta
tenga lugar, dependiendo únicamente de la densidad del aire y de la altura
sobre el nivel del mar de dicha localidad.
La gráfica siguiente muestra los diferentes grados
de presión que pueden existir en un recipiente o en un determinado lugar.
Gráfica de valores de presión
Cero de presión absoluta (vacio perfecto)
1
PABS =
PBAR ± PMAN
2
(+) Para
presión manométrica positiva.
(-) Para presión manométrica negativa (Presión de vacío)
(-) Para presión manométrica negativa (Presión de vacío)
1.1.2 PROPIEDADES DEL AIRE
Algunas de las propiedades del aire comprimido en la industria son:
Disponibilidad. Muchas fabricas e
instalaciones industriales tienen un suministro de aire comprimido en las áreas
de trabajo y compresores portátiles que pueden servir en posiciones mas
alejadas.
Almacenamiento. Si es necesario se
puede almacenar fácilmente en grandes cantidades en el interior de depositos a
caderines especialmente diseñados y creados para ello.
Simplicidad de
diseño y control. Los componentes neumáticos son de configuaracion sencilla y se montan
facilmente para proporcionar sistemas automatizados extensos con un control
relativamente sencillo.
Eleccion del movimiento. Se puede elegir
entre un movimiento lineal o un movimiento de rotación angular con velocidades
de funcionamiento fijas y continuamente variables pudiéndose regular con
facilidad dichas velocidades.
Economia.La instalación
tiene un coste relativamente bajo debido al coste modesto de los componentes.
El mantenimiento es también poco costoso debido a su larga duración sin apenas averías.
Fiabilidad. Los componentes neumáticos
tienen una larga duración que tiene consecuencia la elevada fiabilidad del
sistema.
Resistencia al entrono. A este sistema no
le afectan ambientes con temperaturas elevadas, polvo o atmosferas corrosivas
en los que otros sistemas fallan.
Limpieza del entorno. Él aire es limpio
y con un adecuado tratamiento de aire en el escape, se puede instalar según las
normas de seguridad para el trabajador y personal.
Seguridad.No presenta
peligro de incendio en áreas de riesgo elevado y el sistema no esta afectado
por la sobrecarga puesto que los actuadores se detienen o se sueltan simplemente.
Los actuadores neumáticos no producen calor.
Criterios de aplicación
La
compresibilidad del aire es una característica que presenta ventajas o
inconvenientes según el tipo de aplicación. La elección de la neumática depende
de muchos factores, pero fundamentalmente del factor rentabilidad. La
utilización óptima del aire comprimido se con- seguirá aprovechando las
propiedades físicas que posee.
Estas mismas
propiedades son las que conducen a los limites de utilización dé los sistemas
neumáticos y que son principal- mente debidos a la ya citada compresibilidad
del aire. Existe otro límite económico, principalmente cuando la aplicación
exige fuerzas muy grandes o un notable consumo continuo de aire comprimido. En
la práctica es indispensable comparar la energía neumática con otras fuentes de
energía.
Para ello
debe tenerse en cuenta, el conjunto completo del mando, desde la entrada de
seña- les hasta los elementos de trabajo. Los elementos individuales pueden
facilitar bastante la elección de una determinada técnica, pero es absolutamente
necesario elegir el tipo de energía que mejor cumpla con las exigencias del
conjunto. A menudo se comprueba que el elevado coste del aire comprimido no
tiene importancia comparado con el rendimiento de! equipo.
Sistemas de aire comprimido
Se considera un
sistema neumático a todo aquel que funciona en base a aire comprimido, ósea
aire a presión superior a una atmósfera, el cual puede emplearse para empujar
un pistón, como en una perforadora neumática; hacerse pasar por una pequeña
turbina de aire para mover un eje, como en los instrumentos odontológicos o
expandirse a través de una tobera para producir un chorro de alta velocidad,
como en una pistola para pintar.
El aire comprimido suministra fuerza a las herramientas
llamadas neumáticas, como perforadoras, martillos, remachadoras o taladros de
roca. El aire comprimido también se emplea en las minas de carbón para evitar
que se produzcan explosiones por las chispas de las herramientas eléctricas que
hacen detonar las bolsas de grisú
Una gran instalación
neumática se compone de diferentes dispositivos sencillos de trabajo. La acción
combinada de estos diferentes dispositivos forma el conjunto del mando
neumático.
El suministro del aire comprimido para instalaciones
neumáticas comprende los apartados siguientes:
Producción del aire
comprimido mediante compresores.
Acondicionamiento
del aire comprimido para las instalaciones neumáticas.
Conducción del aire
comprimido hacia los puntos de utilización.
Producción del aire comprimido
Generadores
Para producir aire comprimido se utilizan compresores que
elevan la presión del aire al
valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos
neumáticos se alimentan desde una estación central. Entonces no es necesario
calcular ni proyectar la transformación de la energía para cada uno de los
consumidores. El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las
instalaciones a través de tuberías.
Los compresores móviles se utilizan en el ramo de la
construcción o en máquinas que se desplazan frecuentemente.
En et momento de la
planificación, es necesario prever un tamaño superior de la red, con el fin de
poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que se adquieran en el futuro. Por
ello, es necesario sobredimensionar la instalación, al objeto de que el compresor
no resulte más tarde insuficiente, puesto que toda ampliación ulterior en el
equipo generador supone gastos muy considerables.
Es muy importante que el
aire sea puro. Si es puro el generador de aire comprimido tendrá una larga
duración. También debería tenerse en cuenta la aplicación correcta de los
diversos tipos de compresores.
1.1.3 Tipos de mandos
Tipos de compresores
El elemento central de una instalación productora de aire
comprimido es el compresor, la función de un compresor neumático es aspirar
aire a presión atmosférica y comprimirlo a una presión más elevada.
Según las
exigencias referentes a la presión de trabajo y al caudal de suministro. se
pueden emplear diversos tipos de construcción.
Los compresores se dividen, según el tipo de ejecución,
en:
-Compresores
de émbolo.
-Compresores
rotativos.
-Compresores
centrífugos.
Compresores de émbolos.
El compresor más frecuentemente utilizado es el de
émbolos, pudiendo emplearse como unidad fija o móvil, Utilizan un Sistema de
biela - manivela para transformar el movimiento rotativo de un motor en
movimiento de vaivén del embolo.
En los compresores de émbolos, la
compresión puede ser obtenida ya sea en uno o más cilindros, en los
cuales los émbolos comprimen el aire, de acuerdo a esto se pueden clasificar
en:
-Compresores de una
etapa.
-Compresores de dos
etapas.
-Compresores de
varias etapas (Multietapa).
En los
compresores de una etapa la presión final requerida es obtenida en sólo un
cilindro (en este caso, un cilindro es una etapa). En estos compresores
el aire es comprimido hasta la presión final de 6 a 8 bar y en casos
excepcionales llegan hasta los 10 bar.
En compresores con una relación de compresión más alta,
el sistema de una etapa no es posible por la excesiva elevación de le
temperatura por lo tanto este proceso de compresión se realiza en dos
etapas o mas.
El aire comprimido en una etapa es enfriado antes de
volverse a comprimir a más presión en la siguiente etapa. Entre los cilindros
se intercalan los enfriadores adecuados, llamados por ello enfriadores intermedios.
Así mismo, el aire es enfriado a la salida del último cilindro, al que se
denomina enfriador final.
En líneas generales, los fabricantes de compresores los
construyen en las siguientes escalas:
a) Compresores de
una etapa para presiones hasta 10 bar.
b) Compresores de dos etapas para presiones hasta 50 bar.
d Compresores de
tres y cuatro etapas para presiones hasta 250 bar.
Las ejecuciones más adecuadas para la neumática son las
de una y dos etapas. Con preferencia se utiliza el de dos etapas en cuanto la
presión final exceda de los 6 a 8 bar, porque se proporciona una potencia
equivalente con gastos de accionamiento más bajos.
Los compresores de
émbolos pueden ser accionados por un motor eléctrico o un motor de combustión
interna.
Compresores rotativos
Los compresores rotativos ocupan un lugar intermedio
entre los compresores centrífugos y los compresores de émbolo. Los compresores
rotativos suministran presiones más bajas que los de émbolo, pero las presiones
de servicio son más altas que las de los compresores centrífugos.
Asimismo, el
volumen de aire que suministran por unidad de tiempo es más grande que en los
compresores de émbolo, pero más pequeño que en los compresores centrífugos.
Los compresores rotativos pueden ser de paletas o de
tornillos.
Compresores de paletas deslizantes.
Los compresores de paletas están constituidos por un
rotor en el cual van colocadas las paletas, de eje excéntrico con el estator.
El aire penetra en
la carcasa del compresor a través de un deflector acústico, y accede al
compresor a través de un filtro de aire, el aire es mezclado con aceite de
lubricación antes de entrar al estator dentro de este un rotor ranurado
simple con seis paletas gira.
Durante la rotación, las cámaras entre las paletas, que
se aplican contra las paredes del estator por la fuerza centrífuga, y el cuerpo
del rotor atrapan sucesivas cámaras de aire las cuales son progresivamente
comprimidas, se produce la aspiración, y mientras reducen el volumen, se
produce el suministro de presión.
Aceite es inyectado continuamente dentro del estator para
enfriarlo, estanquiezar y lubricar las paletas.
Después de la
compresión el aire pasa a través de un deflector mecánico que separa la
gran cantidad de aceite. Los compresores rotativos también pueden ser
accionados directamente por un motor eléctrico o un motor de combustión
interna.
Compresores de tornillo.
En los compresores de tornillo, dos rotores paralelos en
contrarrotación, macho y hembra, de forma helicoidal, giran confinados en el
interior de una cámara que los envuelve y comprimen el aire en sus lóbulos de
manera continua.
Aceite es aportado
a la cámara de compresión para garantizar la lubricación del conjunto
giratorio, el cual se recupera, se enfría, se filtra y es inyectado de
nuevo en la cámara de compresión.
Fotografía de los
rotores paralelos del interior de al cámara de compresión
Ventajas de los compresores rotativos
Las ventajas más notables de los compresores rotativos
son su marcha silenciosa y un suministro de aire más continuo. los compresores
rotativos de una etapa suministran presiones hasta los 4 bar. Con dos etapas
pueden alcanzar de 4 a 8 bar. los caudales suministrados pueden llegar hasta
100 Nm3/min. según el tamaño.
Compresores centrífugos
En los compresores centrífugos la compresión del aire se
produce utilizando un rápido rodete giratorio. La presión es ejercida al forzar
a las partículas del aire existentes en el rodete a alejarse del centro como
resultado de la acción centrífuga.
El rodete comunica
una velocidad elevada y una presión a las partículas del aire
La presión generada por estos compresores no es muy alta;
son necesarios varios rodetes para obtener presión de 6 bar. En contraste con
esta limitación, los compresores centrífugos pueden suministrar grandes
volúmenes de aire. Otra ventaja sobre los compresores de émbolo es que los
compresores centrífugos son accionados directamente por una máquina rápida como
un motor eléctrico o una turbina de gas mientras que en los otros se debe
usarse una transmisión reductora
Tipo De Aplicación
El tipo de aplicación determina el tipo de compresor.
Para presiones muy elevadas (20.000 psíg p.e. ) solo se pueden lograr con
compresores multietapas (reciprocantes). Por otro lado para alto volumen
(150.000 cfm) y presiones del orden de los 30 psíg, solo se pueden lograr con
unidades centrifugas.
Se dan dos grupos
de aplicación del aire comprimido, uno es para propósitos de potencia y el otro
es para gases de proceso en refinerías y plantas químicas. Los requerimientos
para ambos grupos pueden variar sustancialmente, pero la selección del equipo
debe regirse por criterios económicos.
Conducción del aire comprimido
La misión de la red de aire comprimido es llevar este
desde la zona de compresores hasta los puntos de utilización.
Se entiende por red de aire
comprimido el conjunto de todas las tuberías que parten del depósito, colocadas
de modo que queden fijamente unidas entre sí, y que conducen el aire comprimido
a los puntos de conexión para los consumidores individuales. Deberá tener:
Mínima pérdida de presión, Mínima pérdida de aire por fugas y Mínima cantidad
de agua en la red y en los puntos de utilización.
Para determinar el diámetro correcto de las redes de aire
es necesario considerar diversos factores. Estos son: El caudal de aire, La
caída de presión admisible, La longitud de tubería y La presión de trabajo.
El caudal de aire comprimido es una magnitud que se
determina según el planteamiento. Este puede ser igual a la capacidad del
compresor o puede ser incrementado y debe ser suficientemente holgado, teniendo
en cuenta futuras expansiones en la planta.
La caída de presión
y la velocidad de circulación se hallan relaciona" estrechamente. Cuanto
mayor es la velocidad de circulación, mayor es' caída de presión; pero en la
caída de presión también influyen o ' 4 factores como la rugosidad de la pared
interior de la tubería, la longitud tubería y el número de accesorios
instalados. La velocidad de circulad del aire comprimido en las tuberías debe
estar comprendida entre 6 y mis. La caída de presión no debe superar, en
lo posible, el valor de kplcm2
La longitud de la tubería se determina a partir del trazado
de la instalación y deben ser tenidos en cuenta los accesorios instalados. Los
fabricantes de compresores han desarrollado nomogramas para determinar con
facilidad el diámetro de tubería más adecuado.
1.2 Conceptos básicos de la hidráulica
Hidráulica es una es una de las principales ramas de la
Ingeniería Civil que trata los
problemas relacionados con la utilización y el manejo de
los fluidos, principalmente el
agua. Esta disciplina se avoca, en general, a la solución
de problemas tales como, el
flujo de líquidos en tuberías, ríos y canales y a las
fuerzas desarrolladas por líquidos
confinados en depósitos naturales, tales como lagos,
lagunas, estuarios, etc., o
artificiales, como tanques, pilas y vasos de
almacenamiento, en general.
El desarrollo de la hidráulica se ha basado
principalmente en los conocimientos
empíricos transmitidos a través de generaciones y en la
aplicación sistemática de
ciencias, principalmente Matemáticas y Física. Una de
estas ciencias, es la Mecánica de
los Fluidos, que proporciona las bases teóricas en que
descansa la hidráulica.
El objetivo del presente curso es la de que el alumno
reafirme los conceptos básicos en
hidráulica ambiental requeridos para toda investigación
formal, en el afán de nivelar los
conocimientos de los aspirantes de diferentes
formaciones.
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Para emprender el estudio de la hidráulica es
conveniente, tener un conocimiento claro
de los principios fundamentales de la física. A
continuación se presentan algunos de
estos conceptos.
Fuerza de gravedad.- se refiere a la fuerza gravitacional
entre la Tierra y los objetos
situados en su superficie o cerca de ella. Por lo regular
se mide de acuerdo a la
aceleración que proporciona a un objeto en la superficie
de la Tierra. En el ecuador, la
aceleración de la gravedad es de 9,7799 m/s2
, mientras que en los polos es superior a
9,83 m/s2
. El valor que suele aceptarse internacionalmente para la
aceleración de la
gravedad en cálculos que no requieren mucha precisión es
de 9.81 m/s2
Los campos de estudio de la Física clásica, conocida
también como, Física newtoniana,
son:
Fluido.-
estado de la materia que no presenta resistencia a la deformación. Bajo esta
categoría se agrupan los líquidos y los gases.
Sistema
de unidades.- Las cantidades físicas se miden en el tiempo
y en el espacio,
haciendo uso de algún sistema de unidades de medición.
Con base en estas unidades,
se describen las diferentes magnitudes físicas, las
cuales pueden ser fundamentales ó
derivadas. La longitud (L) y el tiempo (t) se consideran
dimensiones fundamentales en
cualquier sistema de unidades pero la masa (m) y la
fuerza (F) se consideran
dimensiones fundamentales en ciertos sistemas y
dimensiones derivadas en otros.
Para definir las unidades de medida se utilizan
diferentes sistemas, pero en general se
pueden identificar dos: el métrico y el inglés, los
cuales a su vez pueden ser absolutos o
gravitacionales.
Temperatura.- Es una cantidad que representa el nivel de
energía calorífica en la
materia. En el sistema métrico la unidad de temperatura
es grado centígrado (ºC) y en
el sistema inglés es el grado Fahrenheit (ºF). La
conversión entre estas unidades es
Factores de conversión.- Los cálculos matemáticos, por lo
regular, involucran
diferentes tipos de unidades de medición y con frecuencia
se requiere transformar las
unidades de un sistema a otro. Para lograr esto, se hace
uso de factores de conversión
que relacionan las unidades de una misma clase. Por
ejemplo para convertir del sistema
inglés al sistema métrico, algunos factores de conversión
son los siguientes:
Longitud
1 Pulgada (in) = 2.54 cm.
1 pie (ft) = 30.48 cm. = 12 plg
1 yarda (yd) = 3 pies = 36 plg = 91.44 cm.
1 milla (mi) = 1760 yardas = 5280 pies = 1609 m.
Volumen
Onza (fluida) = 29.573 ml
Pint (pt) = 16 onzas = 0.473 l
Quart (qrt) = 2 pints
= 0.946 l
Gallon (gal) = 4
quart = 3.785 l
barrel = 31 a 42 gallons (no muy precisa)
Fuerza
Grain = 64.8 mg.
Dram = 27.344
grains=1.772 gr.
Onza (oz) = 16 dram=28.35 gr.
Pound (lb) = 16 Onzas=453.59 gr.
Tonelada corta =2000 libras= 0.907 tonelada métrica.
Tonelada larga =1.12 toneladas cortas=1.016 toneladas
métricas.
B) VISCOSIDAD
La viscosidad es la oposición de un fluido a las
deformaciones tangenciales. Un fluido
que no tiene viscosidad se llama fluido ideal, en
realidad todos los fluidos conocidos
presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de
viscosidad nula una aproximación
bastante buena para ciertas aplicaciones.
Un esfuerzo es una fuerza distribuida sobre un área.
Cuando esta fuerza es paralela al
área se le llama esfuerzo cortante ( δ ).
3. HIDROSTÁTICA
3.1 DEFINICIONES
La estática de los fluidos estudia las condiciones de
equilibrio de los cuerpos “fluidos” en
reposo. Cuando se trata solo de los líquidos se denomina
“Hidrostática”.
3.1.1 Presión
Se define a la presión como el resultado de una fuerza
actuando sobre una superficie en
dirección perpendicular a esta. Las unidades de presión
son, por lo tanto, unidades de
fuerza sobre unidades de superficie [F / L2].
3.1.2 Medición de la presión
La medición de la presión se hace con base en una
referencia arbitraria que por lo
general, es el cero absoluto (vacío total) ó la presión
atmosférica local. Cuando la
presión se expresa con respecto a la presión atmosférica
local, se le conoce como
“presión manométrica o relativa”. En cambio, cuando se
mide con respecto al vacío
total, se le conoce como “presión absoluta”.
3.1.3 Presión atmosférica
La presión atmosférica es causada por el espesor de la
capa atmosférica sobre la
superficie terrestre. A nivel del mar y a 20 ºC, su valor
es de 1.033 Kg/cm2
y se le
denomina atmósfera estándar.
Para medir la presión atmosférica en cualquier punto de
la tierra se utiliza un
barómetro. Evangelista Torricelli fue el primero en medir
la presión atmosférica con el
barómetro que lleva su nombre. Este aparato consiste en
un tubo de cristal cerrado en
uno de sus extremos lleno con mercurio e invertido sobre
un recipiente que contiene
también mercurio como se muestra en la figura:
1.2.1
Fundamentos físicos de la hidráulica
Definición: de acuerdo
con su significado etimológico, que viene del griego hydros (agua), aulos
(conducción) e icos (relativo), quiere decir relativo a la conducción
del agua.
En
física se puede definir como la parte que estudia las leyes naturales, que
gobiernan los fenómenos mecánicos de los líquidos.
Los
fenómenos mecánicos mas importantes son: los fenómenos de equilibrio y los
fenómenos de movimiento.
La
hidráulica tiene dos finalidades: científicas y practicas.
La
finalidad científica es la investigación de fenómenos y dispositivos
relacionados con la mecánica de fluidos.
La
finalidad practica es la planeación, construcción, operación y mantenimiento de
obras y estructuras de ingeniería.
La
hidráulica se denomina también como hidráulica elemental o clásica, basa su
estudio en un liquido ideal o perfecto cuyas características son: homogéneo,
incompresible, continuo, antiviscoso e isotrópico.
Liquido
homogéneo, es aquel que carece de partículas ajenas a el, esto es que no tiene
impurezas; liquido incompresible, es aquel que soporta grandes presiones sin
modificar su volumen; continuo, que al tener movimiento, su masa no varia;
antiviscoso, que no ofrece resistencia a la acción de una fuerza, esto es que
no presenta ninguna deformación al aplicarla; isotropico, que posee las mismas
propiedades en todas direcciones y sentidos.
Clasificación:
La
hidráulica se puede dividir en:
General
o teórica. Hidrostática
Hidráulica
Hidrodinámica
Aplicada
o hidrotecnia.
La
hidrostática estudia las propiedades de los fluidos en reposo y la
hidrodinámica tiene por objetivo el estudio de los líquidos en movimiento.
Hidráulica
aplicada:
Sistemas
de abastecimiento de agua
Hidráulica
urbana Sistema de alcantarillado sanitario
Sistema
de desagüe pluvial
Drenaje
de áreas
Hidráulica
rural o agrícola Riego o irrigación
Drenaje
Hidráulica
fluvial Ríos
Canales
Hidráulica
marítima Puertos
Obras
marítimas en general
Instalaciones
hidráulicas industriales
Técnicas
hidrostáticas
Propiedades
físicas de los fluidos:
La
materia ordinaria se presenta en alguno de los tres estados siguientes: sólido,
líquido o gaseoso. Existe un cuarto estado de la materia denominado plasma que
es esencialmente un gas ionizado con igual número de cargas positivas que
negativas. A los líquidos y gaseosos se les denomina fluidos. Característica
peculiar de un fluido esque no tienen forma propia, adquiriendo la del
recipiente que lo contiene.
Liquido:
-toma
la forma del recipiente
-ocupa
el máximo volumen permitido
-
incompresible
Gases:
-se
expanden hasta ocupar el volumen máximo
-
adoptan la forma del recipiente cerrado
-compresible
Fluido:
-sustancias
que adoptan la forma del recipiente que los contiene
-no
resisten esfuerzos tangentes
Las
propiedades físicas de los fluidos, que permiten describir los aspectos mas
importantes de la hidráulica son:
Peso
especifico es, el peso por unidad de volumen de una sustancia, sus
dimensiones son [FL-3]. También se le conoce como peso volumétrico .La unidad de medida en el S.I. de Unidades es kg/m3,
también se utiliza frecuentemente la unidad g/cm3Densidad de sólidos y líquidos
a (20ºC)
Sustancia
|
Densidad (g/cm3)
|
Sustancia
|
Densidad (g/cm3)
|
Acero
|
7.7-7.9
|
Oro
|
19.31
|
Aluminio
|
2.7
|
Plata
|
10.5
|
Cinc
|
7.15
|
Platino
|
31.46
|
Cobre
|
8.93
|
Plomo
|
11.35
|
Cromo
|
7.15
|
Silicio
|
2.3
|
Estaño
|
7.29
|
Sodio
|
0.975
|
Hierro
|
7.88
|
Titanio
|
4.5
|
Magnesio
|
1,76
|
Vanadio
|
6.02
|
Níquel
|
8.9
|
Volframio
|
19.34
|
Sustancia
|
Densidad (g/cm3)
|
Sustancia
|
Densidad (g/cm3)
|
Aceite
|
0.8-0.9
|
Bromo
|
3.12
|
Ácido sulfúrico
|
1.83
|
Gasolina
|
0.68-0.72
|
Agua
|
1.0
|
Glicerina
|
1.26
|
Agua de mar
|
1.01-1.03
|
Mercurio
|
13.55
|
Alcohol etílico
|
0.79
|
Tolueno
|
0.866
|
Gravedad especifica (s) es, la relación entre el
peso especifico de una sustancia y el peso especifico del agua a 4° C. También
se le denomina densidad relativa, y puede ser expresada como la relación de la
sustancia y el peso de un volumen igual de agua o como la relación de
densidades.
Viscosidad dinámica, absoluta o simplemente
viscosidad, es la medida de la resistencia a fluir de un fluido como
resultado de la interacción y cohesión de sus moléculas. Las dimensiones de la
viscosidad dinámica en el sistema absoluto son; [ML-1T-1] y en el gravitacional
[L2T-1].
Viscosidad cinemática (v) es, la relación de la
viscosidad dinámica del fluido entre su densidad. La viscosidad cinemática
interviene en aplicaciones como el numero de Reynolds (Re = vD / v) las
dimensiones de v, son:
Tensión superficial es, la fuerza por la unidad de longitud que se genera sobre
la superficie libre de un liquido, o de contacto entre las moléculas
integrantes de esos fluidos, sus dimensiones [FL-1].
Capilaridad es, la acción (elevación o descenso),
de un liquido en un tubo capilar (o en situaciones físicas análogas tales como
en medios porosos), provocada por la tensión superficial y originada en la
relación que presenta la adhesión entre líquidos y sólido con la cohesión del
liquido.
Compresibilidad es, la propiedad que tiene los
cuerpos de reducir su volumen bajo la acción de presiones externas, esto se
deriva el modulo de elasticidad volumétrica (Eu) de los líquidos definidos como
el cambio de intensidad de la presión (P), dividida por el cambio correspondiente del volumen (u), por unidad de volumen.
Es común designar la compresibilidad como el
reciproco del modulo de elasticidad volumétrica
Presión de vapor: es la presión parcial que
ejercen, e un espacio cerrado, las moléculas que escapan de la superficie de un
liquido al producirse el fenómeno de evaporación. Como este fenómeno depende de
la actividad molecular y esta a su vez es función de la temperatura y aumenta
con ella. Cuando la presión que actúa sobre un liquido es igual a su presión de
vapor, se presenta la ebullición. La ebullición del agua por ejemplo puede
ocurrir a la temperatura ambiente si se reduce la presión suficientemente.
Movimiento de un cuerpo en el seno de un fluido:
Un cuerpo de pequeñas dimensiones se deja caer
desde una altura de 5 m sobre la superficie de un estanque de 10 m de
profundidad. Determinar el movimiento del cuerpo, suponiendo que si llega a
tocar el fondo del estanque rebota elásticamente.
El applet que se ha diseñado para
mostrar el movimiento de un cuerpo en el seno de un fluido no viscoso, tiene un
interés didáctico más allá del principio de Arquímedes, pues nos permite
explorar el significado de movimiento
acelerado y movimiento decelerado, comparando los signos de la
velocidad y de la aceleración.
1.2.2 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LOS ACEITES HIDRÁULICOS
ACEITE
HIDRÁULICO.
Los aceites hidráulicos son líquidos transmisores de potencia que se utilizan para transformar,
controlar y transmitir los esfuerzos mecánicos a través de una variación de presión o de flujo.
Los aceites hidráulicos son líquidos transmisores de potencia que se utilizan para transformar,
controlar y transmitir los esfuerzos mecánicos a través de una variación de presión o de flujo.
FUNCIONES.
1. Transmitir la potencia de un punto a otro.
2. Realizar el cierre entre piezas móviles
reduciendo fricciones y desgastes.
3. Lubricar y proteger contra herrumbre o
corrosión las piezas del sistema.
4. No sufrir cambio físico o químico o el
menor posible.
5. Suministrar protección contra el desgaste
mecánico.
PARÁMETROS MÁS IMPORTANTES.
Temperatura de funcionamiento.
Influyen sobre las propiedades físicas y químicas del fluido. Las altas temperaturas condicionan
la vida útil del fluido, su resistencia de película, su viscosidad, etc. La temperatura baja puede
presentar problemas debidos a dificultades en el bombeo. En transmisiones que trabajen al
exterior pueden presentarse variaciones de -15ºC a +45ºC.
Viscosidad
Afecta a las propiedades de fricción del fluido, el
funcionamiento de la bomba, la cavitación, el consumo de
energía y la capacidad de control del sistema.
Compatibilidad.
Tiene gran importancia la compatibilidad del fluido con los metales, con las juntas de cierre, etc.
También es esencial que el fluido ejerza una protección contra la corrosión de los metales,
siendo el cobre uno de los menos deseables para los sistemas hidráulicos por su poder
catalizador.
Estabilidad.
La estabilidad térmica e hidrolítica y la resistencia a la oxidación son de gran interés para la vida útil tanto del fluido como del equipo. Velocidad de respuesta. De ésta depende la precisión de movimientos de los mecanismos dirigidos y depende de la
viscosidad del fluido y sus características de compresibilidad. La presencia de aire hace disminuir esta velocidad y puede originar cavitaciones.
Resistencia de película y presión.
Esta es una propiedad muy compleja que está relacionada con su capacidad para disminuir la
fricción y el desgaste. La presión es un factor esencial tanto para el rendimiento del fluido como
para la vida del equipo, por ello es necesario que para obtener una gran precisión en los
movimientos el fluido tenga una compresibilidad la más baja posible.
La consideración de todos estos parámetros, permite definir las principales propiedades que
deberá presentar un fluido que sea adecuado para su utilización en transmisiones hidráulicas.
PRINCIPALES PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS HIDRÁULICOS.
1. Viscosidad apropiada.
2. Variación mínima de viscosidad con la temperatura.
3. Estabilidad frente al cizallamiento.
4. Baja compresibilidad.
5. Buen poder lubricante.
6. Inerte frente a los materiales de juntas y tubos.
7. Buena resistencia a la oxidación.
8. Estabilidad térmica e hidrolítica.
9. Características anticorrosivas.
10. Propiedades antiespumantes.
11. Buena demulsibilidad.
12. Ausencia de acción nociva.
Los lubricantes están definidos por una serie de
características, algunas de las cuales se utilizan para clasificar los aceites
o grasas. Dada la naturaleza de los
distintos tipos de lubricantes no todas las características son aplicables a
todos ellos.
Color o fluorescencia
Actualmente el color del aceite dice muy poco acerca de sus características, ya que es fácilmente modificable con aditivos. No obstante, hasta hace pocos años, se le daba gran importancia como indicativo del grado de refino, y la florescencia era indicativo del origen del crudo (aceites minerales).
El procedimiento para determinar el color de un aceite es el ASTM-D-1500. en el que se compara el color del aceite con una serie de vidrios patrón de distintos colores, ordenados en sentido creciente de 0 a 8. Pero para aceites muy claros, tales como los aceites aislantes, aceites blancos técnicos, etc., la escala ASTM no puede establecer diferencias y es preciso usar otros métodos. El colorímetro Saybolt establece una escalas que va desde el -16 para el color blanco amarillento hasta +30 para el blanco no diferenciable con el agua.
En los aceites en servicio, el cambio del color puede alertar sobre deterioros, contaminación, etc.
Color o fluorescencia
Actualmente el color del aceite dice muy poco acerca de sus características, ya que es fácilmente modificable con aditivos. No obstante, hasta hace pocos años, se le daba gran importancia como indicativo del grado de refino, y la florescencia era indicativo del origen del crudo (aceites minerales).
El procedimiento para determinar el color de un aceite es el ASTM-D-1500. en el que se compara el color del aceite con una serie de vidrios patrón de distintos colores, ordenados en sentido creciente de 0 a 8. Pero para aceites muy claros, tales como los aceites aislantes, aceites blancos técnicos, etc., la escala ASTM no puede establecer diferencias y es preciso usar otros métodos. El colorímetro Saybolt establece una escalas que va desde el -16 para el color blanco amarillento hasta +30 para el blanco no diferenciable con el agua.
En los aceites en servicio, el cambio del color puede alertar sobre deterioros, contaminación, etc.
Densidad
La densidad es la razón entre el peso de un volumen dado de aceite y un volumen igual de agua.
La densidad está relacionada con la naturaleza del crudo de origen y el grado de refino.
En ocasiones, se usan otras características para definir el aceite en lugar de su densidad, aunque están directamente relacionadas con ella. Veamos algunas.
La gravedad específica se define como la relación entre un cierto volumen de producto y el mismo volumen de agua destilada a 4ºC.
La densidad es la razón entre el peso de un volumen dado de aceite y un volumen igual de agua.
La densidad está relacionada con la naturaleza del crudo de origen y el grado de refino.
En ocasiones, se usan otras características para definir el aceite en lugar de su densidad, aunque están directamente relacionadas con ella. Veamos algunas.
La gravedad específica se define como la relación entre un cierto volumen de producto y el mismo volumen de agua destilada a 4ºC.
En Estados
Unidos suele usarse la gravedad API. Esta es
una escala arbitrarioa que expresa la gravedad o densidad del aceite, medida en
grados API.
En Estados Unidos la temperatura estándar para
el agua y el aceite es de 60ºF. En otros países la temperatura es de 15ºC
(59ºF) para el aceite y 4ºC para el agua, si bien en algunos casos so utilizan
15ºC para el agua y el aceite.
La densidad es la razón entre el peso de un
volumen de aceite y el peso de un volumen igual de agua.
Viscosidad
La viscosidad es una de las propiedades más importantes de un lubricante. De hecho, buena parte de los sistemas de clasificación de los aceites están basados en esta propiedad.
La viscosidad se define como la resistencia de un líquido a fluir. Esta resistencia es provocada por las fuerzas de atracción entre las moléculas del líquido. El esfuerzo necesario para hacer fluir el líquido (esfuerzo de desplazamiento) estará en función de esta resistencia. Los fluidos con alta viscosidad ofrecen cierta resistencia a fluir, mientras que los poco viscosos lo hacen con facilidad.
La viscosidad se ve afectada por las condiciones ambientales, especialmente por la temperatura y la presión, y por la presencia de aditivos modificadores de la misma, que varían la composición y estructura del aceite.
La fricción entre moléculas genera calor; la cantidad de calor generado está en función de la viscosidad. Esto tambien afecta a la capacidad sellante del aceite y a su consumo.
La viscosidad tambien tiene que ver con la facilidad para ponerse en marcha de las máquinas, particularmente cuando operan en temperaturas bajas. El funcionamiento óptimo de una máquina depende en buena medida del uso del aceite con la viscosidad adecuada para la temperatura ambiente.
Además es uno de los factures que afecta a la formación de la capa de lubricación.
La viscosidad es una de las propiedades más importantes de un lubricante. De hecho, buena parte de los sistemas de clasificación de los aceites están basados en esta propiedad.
La viscosidad se define como la resistencia de un líquido a fluir. Esta resistencia es provocada por las fuerzas de atracción entre las moléculas del líquido. El esfuerzo necesario para hacer fluir el líquido (esfuerzo de desplazamiento) estará en función de esta resistencia. Los fluidos con alta viscosidad ofrecen cierta resistencia a fluir, mientras que los poco viscosos lo hacen con facilidad.
La viscosidad se ve afectada por las condiciones ambientales, especialmente por la temperatura y la presión, y por la presencia de aditivos modificadores de la misma, que varían la composición y estructura del aceite.
La fricción entre moléculas genera calor; la cantidad de calor generado está en función de la viscosidad. Esto tambien afecta a la capacidad sellante del aceite y a su consumo.
La viscosidad tambien tiene que ver con la facilidad para ponerse en marcha de las máquinas, particularmente cuando operan en temperaturas bajas. El funcionamiento óptimo de una máquina depende en buena medida del uso del aceite con la viscosidad adecuada para la temperatura ambiente.
Además es uno de los factures que afecta a la formación de la capa de lubricación.
Viscosidad dinámica o absoluta
Los términos viscosidad absoluta y viscosidad dinámica se usan intercambiablemente con es de viscosidad para distinguirla de la viscosidad cinemática o comercial.
Se define, como ya hemos dicho como la resistencia de un líquido a fluir.
Matemáticamente se expresa como la relación entre el esfuerzo aplicado para mover una capa de aceite (tensión de corte) y el grado de desplazamiento conseguido.
El concepto de viscosidad puede entenderse con ayuda de la figura:
Los términos viscosidad absoluta y viscosidad dinámica se usan intercambiablemente con es de viscosidad para distinguirla de la viscosidad cinemática o comercial.
Se define, como ya hemos dicho como la resistencia de un líquido a fluir.
Matemáticamente se expresa como la relación entre el esfuerzo aplicado para mover una capa de aceite (tensión de corte) y el grado de desplazamiento conseguido.
El concepto de viscosidad puede entenderse con ayuda de la figura:
La figura representa dos placas, una fija y otra
móvil, separadas una distancia D. La placa móvil se mueve con velocidad constante V. El aceite
adherido a la placa se mueve a la misma velocidad que ella. Entre ambas placas
vemos que las capas de aceite situadas entre las dos placas se mueven a
velocidad inversamente proporcional a su separación de la placa móvil. Para
vencer la fricción entre placas será necesario aplicar una fuerza F. Dado que la fricción entre
capas está relacionada con la viscosidad, Newton demostró que la
fuerza F es una medida de la fricción interna del fluido, siendo proporcional a
la superficie de la placa móvil S y al gradiente de velocidad V/D:
en el cual h (eta) es el coeficiente de
viscosidad absoluta y V/D es el gradiente de velocidad o grado de
desplazamiento.
Por tanto la viscosidad absoluta queda definida como:
Por tanto la viscosidad absoluta queda definida como:
Podemos ver así que la viscosidad de un fluido
se puede determinar conociendo la fuerza necesaria para vencer la resistencia
del fluido en una capa de dimensiones conocidas.
Viscosidad cinemática o comercial
La viscosidad cinemática se define como la resistencia a fluir de un fluido bajo la acción de la gravedad.
En el interior de un fluido, dentro de un recipiente, la presión hidrostática (la presión debida al peso del fluido) está en función de la densidad.
Por otra parte, el tiempo que tarda en fluir un volumen dado de fluido es proporcional a su viscosidad dinámica.
Podemos expresar la viscosidad cinemática como:
La viscosidad cinemática se define como la resistencia a fluir de un fluido bajo la acción de la gravedad.
En el interior de un fluido, dentro de un recipiente, la presión hidrostática (la presión debida al peso del fluido) está en función de la densidad.
Por otra parte, el tiempo que tarda en fluir un volumen dado de fluido es proporcional a su viscosidad dinámica.
Podemos expresar la viscosidad cinemática como:
Donde n es el coeficiente de viscosidad dinámica
y d la densidad, todo ello medido a la misma temperatura.
La gravedad específica puede aplicarse en la expresión anterior en lugar de la densidad.
Por lo dicho anteriormente, la viscosidad cinemática puede definirse como el tiempo requerido por un volumen dado de fluido en fluir a traves de un tubo capilar por acción de la gravedad
La gravedad específica puede aplicarse en la expresión anterior en lugar de la densidad.
Por lo dicho anteriormente, la viscosidad cinemática puede definirse como el tiempo requerido por un volumen dado de fluido en fluir a traves de un tubo capilar por acción de la gravedad
Viscosidad aparente
La viscosidad aparente es la viscosidad de un fluido en unas determinadas condiciones de temperatura y agitación (no normalizadas).
La viscosidad aparente no depende de las características del fluido, sino de las condiciones ambientales, y por tanto variará según las condiciones.
La viscosidad aparente es la viscosidad de un fluido en unas determinadas condiciones de temperatura y agitación (no normalizadas).
La viscosidad aparente no depende de las características del fluido, sino de las condiciones ambientales, y por tanto variará según las condiciones.
Factores que afectan a la viscosidad
Aunque en la mayor parte de los casos sería deseable que la viscosidad de un lubricante permaneciese constante, ésta se ve afectada por las condiciones ambientales, como ya hemos dicho. Para evitarlo se usan aditivos, llamados mejoradores del índice de viscosidad.
Aunque en la mayor parte de los casos sería deseable que la viscosidad de un lubricante permaneciese constante, ésta se ve afectada por las condiciones ambientales, como ya hemos dicho. Para evitarlo se usan aditivos, llamados mejoradores del índice de viscosidad.
Efecto de la temperatura
En termodinámica la temperatura y la cantidad de movimiento de las moléculas se consideran equivalentes. Cuando aumenta la temperatura de cualquier sustancia (especialmente en líquidos y gases) sus moléculas adquieren mayor movilidad y su cohesión disminuye, al igual que disminuye la acción de las fuerzas intermoleculares.
Por ello, la viscosidad varía con la temperatura, aumentando cuando baja la temperatura y disminuyendo cuando se incrementa.
En termodinámica la temperatura y la cantidad de movimiento de las moléculas se consideran equivalentes. Cuando aumenta la temperatura de cualquier sustancia (especialmente en líquidos y gases) sus moléculas adquieren mayor movilidad y su cohesión disminuye, al igual que disminuye la acción de las fuerzas intermoleculares.
Por ello, la viscosidad varía con la temperatura, aumentando cuando baja la temperatura y disminuyendo cuando se incrementa.
Efecto de la velocidad de corte
No todos los fluidos responden igual a variación de la velocidad de corte. Debido a su naturaleza, la mayoría de los fluidos no varían su viscosidad al variar la velocidad de corte. Son los llamados fluidos newtonianos. En estos, el grado de desplazamiento de las capas de líquido es proporcional a la fuerza que se aplica Ejemplo de ello son los aceites monogrado.
No todos los fluidos responden igual a variación de la velocidad de corte. Debido a su naturaleza, la mayoría de los fluidos no varían su viscosidad al variar la velocidad de corte. Son los llamados fluidos newtonianos. En estos, el grado de desplazamiento de las capas de líquido es proporcional a la fuerza que se aplica Ejemplo de ello son los aceites monogrado.
En el diagrama de mando
quedan aplicados sobre las fases los estados de conmutación de los elementos de
entrada z de procesamiento de señales, no considerándose en estos los tiempos
de conmutación.
Se recomienda:
n Trazar el diagrama de mando en combinación con
el de movimiento.
n Las fases o los tiempos aplicados
horizontalmente.
n Mantener clara la distancia vertical de las
líneas de movimientos.
La aplicación de los finales de carrera en el diagrama de
movimiento constituye una ampliación y muestra con más claridad las
correlaciones.
Para el ejemplo del dispositivo de doblar. S7=BOTON ARRANQUE.
1.3 Símbolos y normas de la neumática y la hidráulica
Elementos de mando y regulación. Representación
de esquemas.
Para el control de los órganos
de trabajo es preciso disponer de otros elementos que realicen
funciones de mando, de acuerdo con el trabajo que aquellos deben efectuar.
Estos elementos de control son las válvulas, las cuales son
dispositivos de mando que distribuyen el aire comprimido hacia los elementos de
trabajo o utilización (receptores) y controlan su funcionamiento.
Las válvulas pueden considerarse una caja
negra con orificios o vías de entrada y salidadel
aire comprimido. La forma en que se conectan dichos orificios en una
posición estable constituye un estado de la válvula. Esto se
denomina posición.
Las válvulas se componen de dos o
más posiciones; es decir, de dos o más formas de conectar las vías. Para
cambiar de una posición a otra se dispone de unos mandos en la propia válvula.
Por lo habitual, siempre hay una posición de reposo, que es
aquella en la que no se actúa sobre los mandos.
El funcionamiento de las válvulas se identifican
según el número de vías y posiciones, por esto, las válvulas se
representan simbólicamente mediante esquemas que dan una idea clara de su
funcionamiento, de tal forma que a la hora de definir una válvula se
mencionaprimero el número de vías y posteriormente el
de posiciones que tiene.
Cada posición que adopta el órgano
distribuidor se representa con un cuadro. Da tal modo que la válvula
tendrá tantas posiciones como cuadros existan. Se dibujan uno a
continuación del otro.
En la siguiente tabla-ejemplo apreciamos las
normas de simbología de las válvulas.
| 1.- Norma UNE-101 149 86 (ISO 1219 1 y ISO 1219 2). | ||||||||||||||
A nivel internacional la norma ISO 1219 1 y ISO 1219 2, que se ha adoptado en España como la norma UNE-101 149 86, se encarga de representar los símbolos que se deben utilizar en los esquemas neumáticos e hidráulicos.
En esta unidad solamente nos ceñiremos a la citada norma, aunque existen otras normas que complementan a la anterior y que también deberían conocerse. Estas son:
Para conocer todos los símbolos con detalle, así como la representación de nuevos símbolos deben consultarse las normas al completo.
| ||||||||||||||
| 2.- Designación de conexiones, normas básicas de representación. | ||||||
Las válvulas de regulación y control, se nombran y representan con arreglo a su constitución, de manera que se indica en primer lugar el número de vías (orificios de entrada o salida) y a continuación el número de posiciones.
|
Su representación sigue las siguientes reglas:
1.- Cada posición se indica por un cuadrado.
2.- Se indica en cada casilla (cuadrado), las canalizaciones, el sentido del flujo y la situación de las conexiones (vías).
3.- Las vías de las válvulas se dibujan en la posición de reposo.
4.- El desplazamiento a la posición de trabajo se realiza transversalmente, hasta que las canalizaciones coinciden con las vías en la nueva posición.
5.- También se indica el tipo de mando que modifica la posición de la válvula (señal de pilotaje). Puede ser manual, por muelle, por presión ...
La norma establece la identificación de los orificios (vías) de las válvulas, debe seguir la siguiente norma:
Puede tener una identificación numérica o alfabética.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Bombas y compresores. | ||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||
| 5.- Mecanismos (actuadores). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1.4 Ventajas y desventajas de los sistemas hidráulicos y neumáticos
Para producir
el aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. La
presión de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador y existe
en las tuberías que recorren el circuito. El compresor normalmente lleva el
aire a un depósito para después coger el aire para el circuito del depósito.
Este depósito tiene un manómetro para regular la presión del aire y un
termómetro para controlar la temperatura del mismo. El filtro tiene la misión
de extraer del aire comprimido circulante
todas las impurezas y el agua (humedad) que tiene el aire que se
puede condensar. Todos estos componentes se llaman circuito de control.
Ventajas
de la Neumática
En forma genérica destacamos:
- Reducción de costos de mano de obra
directos en la operación de los equipos.
- Uniformidad en el proceso de producción y
reducción de producto no conforme.
- Posibilidad de re programar a mediano y
largo plazo.
- Aumento de la capacidad de la instalación y
eficiencia en los procesos.
- Cantidad: el aire se encuentra disponible
prácticamente en todos los lugares en cantidades ilimitadas.
-Almacenamiento: Mediante acumuladores es
posible recopilar aire para abastecer el equipo de trabajo.
-Transporte: El aire puede ser llevado a
través de tuberías a grandes distancias sin necesidad de instalar una red de
retorno y puede también ser trasladado mediante recipientes Cilindros o
botellas con aire comprimido.
- Seguridad: No existe riesgo de explosión ni
de incendio, lo que minimiza la necesidad de adecuar sistemas de seguridad en
industrias textiles, del papel, de la madera y de la goma.
-Velocidad: Los actuadores neumáticos
presentan gran rapidez en sus movimientos que pueden ser fácilmente regulables.
-Temperatura: Las variaciones de temperatura
no afectan de manera representativa el comportamiento de los equipos
neumáticos, permitiendo un funcionamiento seguro sin importar las condiciones
extremas de trabajo.
-Limpio: El aire no contamina el medio
ambiente, siempre y cuando no se le acondicionen lubricadores; este detalle es
importante tenerlo en cuenta en aplicaciones donde se trabaja con alimentos,
con productos farmacéuticos y aquellos productos que requieran algunas condiciones
de higiene.
- Constitución de los elementos: La
concepción de los elementos de trabajo es simple, por tanto el precio es
económico.
- A prueba de sobrecargas: Las herramientas y
elementos de trabajo neumáticos pueden ir hasta su parada completa sin riesgo
alguno, puesto que éstos paran en caso de sobrecarga de los sistemas.
- Tecnología de fácil aprendizaje y agradable
manejo, debido a la sencillez de sus componentes.
- Resistente a factores extremos de trabajo
como instalaciones expuestas a la suciedad, la humedad, campos magnéticos etc.
Desventajas
de la Neumática
La neumática comparativamente con otras
tecnologías presenta algunas deficiencias:
- Fuerza: El aire comprimido es económico
sólo hasta cierta fuerza. Condicionado por la presión de servicio normalmente
usual de 700 kPa (7 bar), el límite, también en función de la carrera y la
velocidad, es de 20.000 a 30.000 N.
- Ruido: El aire que escapa de los elementos
neumáticos ocasiona bastante ruido, sin embargo éste puede ser controlado
ubicando elementos silenciadores o utilizando materiales in sonorizantes.
- Preparación: Antes de ser utilizado el aire
debe ser llevado a un proceso de limpieza y secado, procurando conservar los
elementos neumáticos exentos de desgaste, esto lo hace demasiado costoso.
- Movimientos heterogéneos: Debido a la
compresión del aire se presentan variaciones en el comportamiento de las
velocidades de los actuadores no se pueden obtener movimientos uniformes ni
precisos.
- Costos: La preparación del aire hace que
ésta tecnología, tenga costos de funcionamiento elevados, esto es compensado
con el bajo valor de sus componentes.
HIDRÁULICA
La hidráulica es una rama de la
física y la ingeniería que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas
de los fluidos. Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa
(fuerza) y empuje de la misma.
La energía hidráulica se obtiene aprovechando
la energía cinética y potencial de la corriente del agua o mareas, en las
presas por ejemplo, al caer el agua por niveles, pasa por unas turbinas que la
hacen girar, la cual trasmite energía a un alternador, y entonces se convierte
en energía eléctrica.
Es una fuente de energía limpia, muy
importante y muy utilizada en el mundo, pero como todo tiene sus ventajas y
desventajas. Aquí les mostramos las más destacadas.
Ventajas
Transmisión de fuerzas
Posicionamiento exacto
Arranque desde cero con carga máxima
Movimientos homogéneos e independientes de la
carga
Buenas características de mando
Protección de sobrecarga
- Debido al ciclo del agua su disponibilidad
es inagotable.
- Es una energía totalmente limpia, no emite
gases, no produce emisiones toxicas, y no causa ningún tipo de lluvia acida.
- Es una energía barata, los costes de
operación son muy bajos, existen mejoras tecnológicas constantemente que ayudan
a explotar de manera más eficiente los recursos.
- Permite el almacenamiento de agua para
abastecer fácilmente a actividades recreativas o sistemas de riego.
- Se pueden regular los controles de flujo en
caso e que haya riesgo de una inundación.
Desventajas
Contaminación del entorno
Sensibilidad a la suciedad
Dependencia de la temperatura
- La construcción de las platas requiere una
gran inversión, por otra parte, los sitios donde se pueden construir centrales
en condiciones económicas son muy limitadas.
- Las presas se convierten en obstáculos para
las especies como el salmón
- por otra parte, las represas afectan al
lecho de los ríos, causando erosión y afectar el ecosistema del lugar.
- Las presas tienden a estar lejos de las
grandes poblaciones, entonces es necesario transportar la electricidad
producida a través de redes costosas.
No hay comentarios.:
Publicar un comentario