Conceptos Básicos de Neumática e Hidráulica 


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NEUMÁTICA

Cuando se trata de producción y consumo de aire comprimido estos se especifican en N l/min o N mm³/min es decir en aire libre (atmosférico) cuando no es así se debe emplear la siguiente formula para la conversión

donde

Existen diversas denominaciones utilizadas por los fabricantes para indicar la cantidad de aire que proporciona el compresor, tales como desplazamiento volumétrico volumen engendrado, etc. Bajo estos nombres genéricos se considera un caudal de aire expresado en cifras teóricas que no responde al verdadero caudal de aire suministrado por el compresor, mientras que el consumo de los equipos neumáticos se da en cifras efectivas.

Es evidente que si adquirimos un compresor basándonos en alguna de las citadas especificaciones, nos encontraremos con que la cantidad de aire realmente suministrada es de un 20 a un 25% inferior a la indicada, pues ningún compresor rinde una prestación del 100 %.

Para evitar estas ambigüedades solamente se deben adquirir compresores que garanticen el caudal de aire en consonancia con las condiciones de temperatura y presión de la aspiración, es decir, en litros o m³ de aire libre.

Como sea que el clima es variable y responde a las características propias de cada lugar, sería dificultoso establecer unas tablas de consumos que correspondieran a los diferentes estados cismáticos; por ello, se va imponiendo el establecimiento de una normativa sobre la base de considerar unas condiciones normales de temperatura y presión del aire aspirado, independientemente de las condiciones atmosféricas en las cuales trabaje el compresor y que sirven de referencia comparativa, aire que llamaremos "aire normal o "aire normalizado" distinguiéndolo con una N (Mayúscula) que situaremos después de las cifras y antes del volumen expresado. Por ejemplo: 600 N m³/h, equivale a un sistema que proporciona 600 m³/h expresados en condiciones normales.

Las condiciones normales varían según el área de influencia tecnológica . Los que siguen las indicaciones del "Compressed Air & Gas Institute" de U.S.A. 1 N m³/h es un m³ de aire por hora a la temperatura de 20º C a la presión de 1.033 kg/cm2 y con una humedad relativa del 36 por ciento.

En la zona europea, la norma C.E.T.O.P. RP-44P, propone como condiciones atmosféricas normales las que están especificadas en la ISO R 554, y que corresponden a la temperatura de  20º C a la presión de 101.3 mbar y con una humedad relativa del 65%.

Los procedimientos de prueba o los métodos de medida del caudal efectivo de aire libre suministrado por los compresores, vienen dados en las normas alemanas DIN 1945 y DIN 1952, inglesa BSS 726-1952, americana ASME PTC 9 y francesa NFX10 .

SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

En la reunión del C.E.T.O.P. (Comité Europeo de las Transmisiones Óleo-hidráulicas y Neumáticas) celebrada en Berlín el 11 de junio de 1966, para aquellos países europeos que tienen adoptada la terminología aprobada por dicho Comité se pensó usar en la definición de la presión como unidad de superficie el cm², y medir así la fuerza f que actúa sobre este elemento de superficie plana, dando como unidad de medida al kilogramo de presión por centímetro cuadrado representado por kp/cm² .

(1 kp = 9,81 newton).De este modo , la presión del aire atmosférico es 1,033 kp/cm2 = 1 atmósfera (kilogramo fuerza por centímetro cuadrado).

Por otro lado, en Washington, durante la reunión del Comité Técnico del ISO ITC , se consideró la implantación del Pascal como unidad de presión, con sus múltiples y submúltiplos. 

Estos y sus equivalentes son:

Subrayo estas dos modalidades de expresión para la representación de la presión  porque, mientras en Francia, en catálogos folletos, aparece claramente definida la expresión de bar como unidad de presión, en otros países europeos se viene adoptando la aplicación del kp/cm² como unidad de presión en sus especificaciones técnicas.

Aunque podemos decir, sin temor a error, que

DIAGRAMA DE TRABAJO DE UN COMPRESOR DE PISTÓN

En la presente página se generalizará sobre el ciclo de trabajo típico de un compresor y su rendimiento, al objeto de obtener del estudio del diagrama correspondiente la potencia requerida para la compresión , pues no debemos olvidar que un compresor aspira aire a la presión atmosférica y lo comprime a una presión más elevada, necesitando para ello la adición de un motor que venza la resistencia que opone el aire a ser comprimido. La comparación de los diagramas de trabajo de dos compresores similares nos facilitaría la posibilidad de elección de aquel que presente un diagrama más favorable ya que ello repercutiría en una economía en cuanto a la potencia del motor de accionamiento del compresor.

En la figura 6-1 se representa el ciclo de trabajo real de un compresor. A la derecha de la misma se ve la forma de actuar de las válvulas en las carreras de aspiración e impulsión en un cilindro de simple efecto. El desplazamiento D de un compresor es el volumen barrido en la unidad de tiempo por la cara o caras del pistón de la primera fase. Se expresa en N m3/min. Para. un cálculo preciso, y en el caso de doble efecto, hay que tener en cuenta el vástago del pistón.

El espacio muerto (o volumen perjudicial) corresponde al volumen residual entre el pistón y el fondo del cilindro y las lumbreras de las válvulas, cuando el pistón está en su punto muerto. Se expresa en tanto por cien del desplazamiento.

La Fig. 6-2 representa un estudio comparativo entre los diagramas de trabajo real y el diagrama teórico.

El diagrama teórico está configurado por los puntos 1-2-3-4, y los puntos 1-5-6-7 delimitan el diagrama real. El volumen perjudicial (espacio muerto) queda representado en el diagrama por el punto 6, que no coincide con el volumen cero. El 6 y 7 son indicativos de la expansión del aire contenido en el volumen perjudicial, desde que se cierra la lumbrera de la válvula de descarga hasta que se abre la lumbrera de la válvula de aspiración.

El contenido de las áreas  A , B , C y D, es motivado por:

A) La refrigeración, que permite una aproximación del ciclo a una transformación isotérmica. Por falta de refrigeración, o por un calentamiento excesivo a causa de rozamientos, dicha área puede desaparecer.

B) Trabajo necesario para efectuar la descarga del cilindro.

C) Trabajo que el volumen perjudicial no devuelve al expansionarse, y que es absorbido en la compresión

D) Trabajo perdido en el ciclo de aspiración.

Las áreas rayadas B , C , D expresan las diferencias de trabajo efectuado en cada etapa del ciclo, entre el diagrama teórico y el diagrama real.

El diagrama estudiado corresponde a un compresor de una etapa, cuyo ciclo de compresión se realiza rápidamente, sin dar tiempo a que el calor producido en la compresión del aire pueda disiparse en un refrigerante o intercambiador de calor , pudiendo decirse que el aire durante su compresión sigue una ley adiabática.

La temperatura teórica de descarga para una compresión adiabática (sin intercambio de calor) viene dada por la fórmula:

siendo:

 

Cuando un compresor es de "n" fases, las relaciones de compresión de cada fase son sensiblemente iguales, y tienen por valor:

Prácticamente, todos los procesos de compresión son politrópicos , es decir, que la temperatura se eleva con la relación de presión, y cuando la temperatura se eleva, también se eleva el trabajo de compresión .

La potencia adiabática teórica de compresión (sin intercambio de calor) es:

siendo:

En esta conjugación de temperatura de compresión y potencia al objeto de mejorar el rendimiento, la compresión se efectúa normalmente en etapas, de forma que se pueda refrigerar el aire entre cada una de ellas por medio de un refrigerador intermedio (con un agente enfriador que puede ser el aire o el agua), cuya acción principal es la de disipar el calor producido durante la compresión .

La refrigeración intermedia perfecta se consigue cuando la temperatura del aire que sale del refrigerador intermedio es igual a la temperatura del aire de aspiración del compresor. Igualmente, se logra un consumo de potencia mínimo cuando las relaciones de compresión de todas las etapas son iguales. Si aumentamos el numero de etapas, la compresión se acerca a la isoterma, que es la transformación de compresión  que requiere menos trabajo. 

Los compresores más usuales en el mercado tienen refrigeración intermedia, es decir, son de dos etapas. 

El diagrama indicado en la figura 6.3 corresponde a un compresor de dos etapas, y en ella los diagramas independientes de cada cilindro son estudiados como si fueran de un compresor de una etapa. La superposición de los diagramas de trabajo correspondientes al cilindro de baja presión (que es el que comprime el aire aspirado hasta una presión aproximada de 2 a 3 kg/cm² ) y al de alta presión (que comprime el aire recibido hasta la presión de trabajo) nos indica que la energía que requiere el cilindro de alta presión es muy inferior a la que exigiría si toda la compresión se hubiera realizado de una sola vez.

En el diagrama totalizado de los dos cilindros, el aire aspirado en A es comprimido en el cilindro de baja presión (I), y a su salida pasa por el refrigerador intermedio en donde recupera su temperatura inicial. La segunda etapa comienza en B: el aire recibido del cilindro de baja presión es vuelto a comprimir en el cilindro del alta (II) hasta la presión final de descarga.

El área rayada Z corresponde a un trabajo perdido que se realiza dos veces sobre el aire, en la expulsión del cilindro de baja presión y en la compresión del cilindro de alta presión .

De la observación del gráfico se deduce que, para compresores de una etapa, o de dos etapas pero en la primera fase de compresión, la curva de compresión está siempre comprendida entre la isotérmica y la adiabática teóricas, pero aproximándose más a la segunda que a la primera, lo que refleja un proceso politrópico en donde

PVn = Constante.

El cuadro adjunto muestra la potencia requerida para comprimir un metro cúbico de aire libre por segundo a diferentes presiones, en un compresor de una etapa, permitiendo la comparación simultánea entre las potencias adiabática e isotérmica teóricas.

RENDIMIENTO DE LOS COMPRESORES

Durante la compresión hay pérdidas termodinámicas y pérdidas mecánicas debidas a frotamientos, por lo que la potencia adiabática.

El rendimiento teórico presenta las desviaciones del ciclo teórico respecto del ciclo ideal según consideremos este ciclo adiabático o isotérmico.  Se llama rendimiento adiabático de un compresor a la relación entre la potencia adiabática teórica de compresión Wta y la potencia real absorbida.

Para el rendimiento isotérmico, determinando la potencia isotérmica teórica de compresión (a temperatura constante) Wti, se tiene:

El rendimiento volumétrico Rv es la relación entre el caudal aspirado Qa y el desplazamiento D, o sea:

por consiguiente, el aire libre suministrado por un compresor es siempre menor que el desplazamiento.

El rendimiento mecánico Rm es la relaci0n entre la potencia indicada y la potencia en el eje

COMPRESORES DE AIRE A PISTÓN

Los compresores son máquinas que aspiran el aire ambiente (a presión atmosférica) y lo comprimen hasta conferirle una presión superior.

Existen diversos tipos de compresores , así como toda una teoría de cálculo que no vamos a exponer aquí, ya que el tema de estas páginas es el tratamiento del aire a la salida del compresor. Sin embargo, vamos a exponer someramente los diferentes tipos de compresores, resaltando aquellas partes que conviene tener en cuenta por su utilización posterior.

COMPRESORES MONOFÁSICOS

Los compresores monofásicos (Fig. 6-4), disponen de una simple fase de compresión. Se componen, en esencia, de un cárter con cigüeñal , un émbolo de pistón, y un cilindro. Para su refrigeración , éste lleva en la parte exterior, aletas. Son utilizados para aplicaciones en donde el caudal sea limitado y en condiciones de servicio intermitente.

COMPRESORES BIFÁSICOS

Los  compresores bifásicos (dos etapas) tienen la característica principal de que el aire es comprimido en dos fases ; en la primera fase (de baja presión ) , se comprime hasta 2 a 3 kg/cm², y en la segunda fase (de alta presión), se comprime hasta una presión máxima de 8 kg/cm².

Pueden ser refrigerados por aire o por agua , es decir, el refrigerador intermedio (entre fases) puede actuar a base de un ventilador o en virtud de una corriente de agua a través del mismo.

Normalmente, para potencias hasta 100 CV, lo habitual es el empleo de refrigeradores por aire, sin prejuicio de la facultad de dotarlos de una refrigeración por agua ; para potencias superiores, prepondera la aplicación de la refrigeración por agua aunque también se utilice la refrigeración por aire. La potencia del electro ventilador del refrigerador intermedio por aire  está en función de la potencia del compresor, del tipo de máquina y de las condiciones de trabajo.

Los pistones y los cilindros pueden estar dispuestos en V (Fig..6-5 y 6-6) y en L (Fig. 6-7), montaje este último que es el normal cuando un cilindro es vertical.

Estos modelos de compresores son los más usuales en la industria en general cubriendo sus caudales una extensa gama que va desde unos 1000 N l/min. a 10000 N l/min., aproximadamente, para los modelos en V, y desde unos 10000 N l/min. 30000 N l/min. y más  para los modelos en L. La presión máxima de trabajo acostumbra ser de 8 kg/cm² , sin embargo, últimamente se tiende a aumentar ésta.

En este tipo de compresores la temperatura de salida del aire comprimido es alrededor de los 130º C con una posible variación de  + 15 ºC.

Los compresores bifásicos (dos etapas) pueden ser de simple efecto y de doble efecto .

 

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