Neumática básica
Ingeniero: Rafael Ramírez
Introducción a la Neumática
La tecnología de la neumática ha ganado
una importancia tremenda en el campo de
la racionalización y automatización del
lugar de trabajo, desde las antiguas obras
de madera y las minas de carbón, hasta
los modernos talleres de máquinas y
robots especiales. Ciertas características
del aire comprimido ha hecho este medio
bastante adecuado para usarlo en las
modernas plantas de fabricación
y
producción.
Introducción a la Neumática
Por lo tanto, es importante que los
técnicos e ingenieros tengan un buen
conocimiento de guía del sistema
neumático, las herramientas
accionadas por aire comprimido y
otros accesorios, incluyendo un
concepto completo y claro de los
principios físicos que rigen el
comportamiento del aire comprimido.
Introducción a la Neumática
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Algunas de las características básicas que
hacen de la aplicación de la neumática más
ventajosa y que sea excepcionalmente adecuada
en su manejo son:
Amplia disponibilidad del aire.
Compresibilidad del aire.
Facilidad para transportar el aire en recipientes a
presión, contenedores y tubos largos
Características del medio de ser a prueba de
incendio.
Introducción a la Neumática
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Construcción sencilla de los elementos neumáticos
y facilidad en su manejo.
Alto grado de facilidad de control de la presión,
velocidad y fuerza.
Posibilidad de un fácil, pero razonables confiable,
control a distancia.
Fácil mantenimiento.
Características del medio de ser a prueba de
explosión.
Costo comparativamente más bajo en relación con
otros sistema.
Fundamentos de neumática

La ley de Boyle afirma que, si la temperatura
permanece constante, la presión de una masa
confinada de gas variará inversamente con su
volumen. Por consiguiente, si P es la presión
absoluta de un gas y V es su volumen.
Ley de Boyle:
P1 
presión inicial,
V 1  volumen inicial,
P2 
V2 
presión final,
volumen final
Fundamentos de neumática
De lo anterior
P1V 1  P2 V 2
P 
1
V
constante
Por lo tanto, se
puede escribir que
Osea
PV
P1V1  P2V 2  P3V 3  Pn V n

Fundamentos de neumática
LEY DE CHARLES
La ley de Charles afirma que si permanece la
presión constante, el volumen de una masa
dada de gas variará directamente según su
temperatura absoluta.
Si T yT son las temperaturas absolutas inicial
y final, respectivamente, y V yV son los
volúmenes inicial y final de una masa dada
de gas, entonces.

1
2
1
2
Fundamentos de neumática
Por lo tanto
V 1  T1
V1
 cons tan te
T1
V1

T1
T2 
V2
osea
T2
T2

T1
(V 2 )  T1
V1

V2
V1
V2
V1
 T1
TIPOS DE COMPRESORES DE AIRE
TIPOS DE COMPRESORES DE AIRE
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
Los compresores de desplazamiento positivo
trabajan sobre el principio de incrementar la presión
de un volumen definido de aire al reducir ese
volumen en una cámara encerrada.
En el compresor dinámico (turbocompresor) se
emplean paletas rotatorias o impulsores para
impartir velocidad y presión al flujo de aire que se
está manejando. La presión proviene de los efectos
dinámicos, como la fuerza centrifuga.
CLASIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES
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Como compresores de simple o de doble acción, por su número de
etapas; a saber, una, dos, tres o múltiples etapas.
Según la disposición de los cilindros con relación al cigüeñal (es decir,
cilindros en posición vertical, en línea, horizontal, en V, radial, etc).
Por la disposición geométrica o de los cilindros usada para obtener las
etapas del compresor; a saber, vertical, horizontal, en V, etc.
Por la manera de impulsar el compresor o por el motor primario, como
impulsados por motor diesel, por motor eléctrico, por turbina de gas,
etc.
Por la condición del aire comprimido; a saber, contaminado con aceite
lubricante o sin aceite.
Por la condición del montaje o su calidad de portátil a saber,
compresor portátil, compresor estacionario o compresor montado en
patines.
Por el medio de enfriamiento aplicado; a saber, enfriado por aire,
enfriado por agua, compresor de líquido inyectado, etc.
Compresor Reciprocante

La construcción de un compresor reciprocante es
semejante al de un motor de combustión interna
(CI), el cual consta de un cuerpo de hierro fundido o
de aluminio con un tanque de aceite, la base, el
pistón con sus anillos, válvulas, bielas manivelas,
cigüeñal, cojinetes, etc. A medida que se tira del
pistón hacia adentro, se succiona aire por la válvula
correspondiente, a través de un filtro, y se
comprime en la carrera de retorno.
COMPONENTES DEL COMPRESOR
Funcionamiento del compresor

Con el arranque del motor eléctrico, la manivela gira
y el pistón del cilindro de la primera etapa succiona
aire atmosférico a través de filtro correspondiente y
de la válvula de admisión. En la siguiente rotación
de la manivela, el pistón invierte su movimiento y
comprime el aire. El aire comprimido hace que se
abre la válvula de salida y s escapa a través del
interenfriador hacia el cilindro de la segunda etapa,
forzando la apertura de la válvula de admisión de
este último.
Funcionamiento del compresor

En este cilindro, el aire se comprime todavía más,
hasta el nivel deseado, y se alimenta al tanque de
compresión por el condensador a compresión, a
través de su válvula de salida. Alrededor del pistón
se encuentran los anillos del mismo, para hacerlo
hermético al aire. Estos se fabrican principalmente
de hierro fundido, con una junta de extremos
simples, ahusados o escalonados. El compresor
necesita una lubricación razonable, para lograr una
mayor duración sin problemas. Para una operación
continua con carga pesada, el aceite debe tener una
viscosidad de más o menos 7º E a 50 ºC.
Funcionamiento del compresor

El cilindro de la primera etapa se conoce como
cilindro de baja presión (BP), en donde se comprime
inicialmente el aire tomado de la atmósfera. El otro
cilindro es el de la segunda etapa, el cual es de
diámetro menor y también se conoce como cilindro
de alta presión (AP). En éste, el aire comprimido que
viene del primer cilindro o de BP se comprime
todavía más hasta la presión elevada. Cuando el
aire se comprime, se genera calor considerable.
Este calor se debe disipar al menos en las unidades
en donde la presión sea mayor que 2 bar. La
máquina principal se enfría por circulación de aire o
de agua.
TANQUE DE COMPRESIÓN

Un tanque de compresión es una necesidad con
todos los compresores reciprocantes y, en muchos
casos, resulta conveniente con los otros tipos de
compresores, porque cumple las siguientes:
Elimina las pulsaciones en el flujo producido por
una máquina reciprocarte.
proporciona capacidad de almacenamiento de
reserva.
ayuda a enfriar el aire y, de este modo, a condensar
parte de su humedad.
Calculo del tamaño del tanque





El tamaño del tanque de compresión depende de:
El volumen de entrega del compresor
El consumo de aire.
La red de tubería.
El tipo y naturaleza de la regulación de la conexión
y desconexión.
La diferencia permisible de presión en las tuberías.
Calculo del tamaño del tanque

ya que se toma como 1bar, para facilitar el
cálculo.
 V tc 
Q  Pa
Pd
2

( kg cm )
Pr esióndec
arg a ( kg cm )  1
2
En donde:
Q = capacidad volumétrica del compresor, en
Pd
= presión atmosférica, en kg cm 2
m
(abs.)

3

Q
Pd
min
normal /min.
Calculo del tamaño del tanque
m

3
.
Con regulación
de conexión y desconexión, el
tamaño puede calcularse con precisión por medio de
la fórmula empírica:
15 Q  P
En donde:
V 
r
V tc
Q
P
P
N
 PP  N
3
= volumen del tanque de compresión, m
= volumen de entrega,
= presión en la admisión, bar (abs).
= diferencia de presión, bar.
= ciclos de conmutación/hora de funcionamiento del
compresor
CÁLCULO DEL COSTO DEL AIRE
COMPRIMIDO

factores mínimos que deben considerarse para
determinar el costo del aire comprimido:
– Capacidad del tanque de compresión.
– Presión desarrollada.
– Costo de la planta de compresores (costo del
capital).
– Costo de la mano de obra.
– Costo corriente de mantenimiento, como el costo
de la energía eléctrica, etc.
Ejemplo

un compresor pequeño con capacidad de 250 litros del
tanque de compresión. El compresor es impulsador por un
motor eléctrico de 5.5 KW de capacidad. Tómese el costo
de la mano de obra de ocho horas al día como 30 rupias
(1 rupia=100 pise=0.13 dólar aproximadamente), el costo
del compresor y su planta en 20000 rupias, así como
pérdidas de 2.5% del aire durante la producción. Con el
uso de un cronómetro, se encuentra que el tiempo
necesario para crear una presión de 6 bar (man) en el
tanque de 250 litros es de 4 minutos 10 segundos, es
decir, 250 segundos.
Si se considera que existe una pérdida de 2.5% del aire,
debido a fugas, etc., se tiene
SOLUCION


comprimido  0 .250 
102 . 5
m  0 . 256 m
Cantidad real del aire
100
3
Tiempo necesario para1 comprimir un m de aire

250
3
3
 1 . 0  976 . 6 s  16 . 3
0 . 256
Unidad necesaria de energía eléctrica
 5 .5 
16 . 3
60
kWh  1 . 5 kWh
SOLUCION

Costo de la energía a 0.80
Pesos por kWh = 0.80 1.5= 1.20 pesos

Costo de la mano de obra 30
Pesos por 8 H al día 
30 pesos  16 . 3
8  60

16 . 3
16

1.02 pesos, aprox.
SOLUCION


Costo de depreciación
pesos, aprox.

20000
10  300  24  60
 16 . 3  0 . 08
Por lo tanto
Costo total a 6 bar (man)= (1.20+1.02+0.08)
pesos =2.30 pesos.
SOLUCION
Para tener 1

m
3
de aire comprimido,
Cantidad necesaria de aire atmosférico

6 . 0  1 . 013
1 . 013

7 . 013
1 . 013
 6 .9 m
3
normales
SOLUCION

Como consecuencia,
Costo de 1 m normal de aire  2 . 30 pesos  0.33 pesos
6 .9
 digamos 0.35
Costo de 1 m 3 normal de aire libre = 35 paise
Como el aire cuesta dinero, el mensaje es bastante
claro en el sentido de que se debe tomar el máximo
cuidado para ver que no se fugue aire a la atmósfera,
en lo absoluto.
3
Unidad de trabajo de un sistema neumático
MOTOR NEUMÁTICO
Los motores neumáticos, como se les conoce en forma
popular, tienen diversos tipos de diseños, tales como de
paletas ,de engrane , de pistones, pero el más común es
el de tipo de paletas.

Motor de paletas :En los motores neumáticos de
paletas, se coloca un bloque rotor en una carcasa,
concéntrico a ésta o, en algunos otros tipos, el interior de
la carcasa tiene contorno elíptico sobre el que se coloca
el rotor en forma concéntrica.
Motor de paletas
El bloque rotor tiene varias ranuras finamente
maquinadas, rectificadas y pulidas en el interior de
las cuales se colocan unas pequeñas paletas, las que
se pueden mover hacia adentro y hacia fuera de esas
ranuras Cuando se alimenta aire comprimido, el rotor
inicia su giro, produciendo en consecuencia un par
motor (troqué) sobre la flecha. Para operaciones en
r.p.m. elevadas de los sistemas mecánicos
rotatorios, los motores neumáticos ofrecen un
sistema en extremo seguro, debido a su capacidad
de disipar el calor, en virtud de la expansión del aire
en el interior de las cámaras de las paletas. Ésta es
una propiedad muy ventajosa del motor neumático
sobre los motores eléctricos.
Motor de paletas
En otros tipos de motores, las aletas son empujadas
por la fuerza de resortes. Por regla general estos
motores tienen de 3 a 10 aletas, que forman las
cámaras en el interior del motor. En dichas cámaras
puede actuar el aire en función de la superficie de
ataque de las aletas. El aire entra en la cámara más
pequeña y se dilata a medida que el volumen de la
cámara aumenta.
La velocidad del motor varia entre 3.000 y 8.500 min
También de este motor hay unidades de giro a
derechas y de giro a izquierdas, así como de
potencias conmutables de 0,1 a 17kW (0,1 a 24 CV).
COMPARACIÓN MOTOR NEUMÁTICO Y ELÉCTRICO :



Ventajas de los motores neumáticos
Los motores neumáticos desarrollan más kW/peso
normal y por metro cúbico de desplazamiento que la
mayor parte de los motores eléctricos estándar.
Inherentemente, son a prueba de choque y explosión,
lo cual no es el caso para los motores eléctricos.
Los motores neumáticos no son afectados por una
atmósfera caliente, húmeda o corrosiva. En virtud de
que operan bajo presión interna, el polvo, la humedad
y los vapores no pueden entrar en la cubierta del
motor. Las cubiertas a prueba de polvo y de explosión
para los motores eléctricos tienen un costo adicional
COMPARACIÓN MOTOR NEUMÁTICO Y ELÉCTRICO :


Los motores neumáticos no resultan dañados por
sobrecargas, inversiones rápidas o por funcionar en
forma continua cerca de la velocidad mínima; cuando
un motor neumático se para por llevarlo hasta su
carga máxima, sigue produciendo un alto par, sin
dañarse (para sostener una carga, por ejemplo), pero
un motor eléctrico puede resultar gravemente dañado
debido a una sobrecarga.
Se puede hacer variar la velocidad en un amplio
rango, sin disposiciones complicadas de control en la
masa de aire pero, en los motores eléctricos, esto es
caro.
COMPARACIÓN MOTOR NEUMÁTICO Y ELÉCTRICO :


Debido a su baja inercia, los motores neumáticos se
aceleran y desaceleran con rapidez desde cero hasta
plena velocidad en milisegundos, lo que resulta ideal
para realizar ciclos rápidos. Los motores eléctricos
tardan más tiempo para llevar a cabo esto.
Los motores neumáticos son de diseño sencillo y
construcción relativamente no es cara. Son confiables o
de fácil mantenimiento y no se desarrolla calor, incluso si
se paran por carga máxima durante un periodo más
largo.
COMPARACIÓN MOTOR NEUMÁTICO Y ELÉCTRICO :

Entre más duro trabaja un motor neumático, funciona más
frío; debido a que el aire se expande a medida que pasa
por el motor, crea un efecto de enfriamiento, lo cual
permite que los motores neumáticos operen en ambientes
en donde la temperatura puede llegar hasta 125ºC, lo cual
es sencillamente lo opuesto en el caso de los motores
eléctricos.
COMPARACIÓN MOTOR NEUMÁTICO Y ELÉCTRICO :

Ventajas de los motores eléctricos
Los motores eléctricos son menos eficientes y más
ruidosos, a menos que se coloquen silenciadores en sus
lumbreras de escape.
Los motores eléctricos son más eficientes; debido a que
la velocidad del motor neumático varía con la carga, no
pueden mantener una velocidad constante sin controles
de regulador. A este respecto, los motores eléctricos son
mejores.
MOTOR DE ENGRANAJES
En este tipo de motor, el par de rotación es
engendrado por la presión que ejerce el aire sobre
los flancos de los dientes de piñones engranados.
Uno de los piñones es solidario con el eje del motor.
Estos motores de engranaje sirven de máquinas
propulsoras de gran potencia 44 kW (60CV).
El sentido de rotación de estos motores, equipados
con dentado recto o helicoidal, es reversible.
Regulación de velocidad

Limitación del caudal de alimentación:
(estrangulación primaria)
En este caso, para la limitación del caudal de
alimentación las válvulas antirretorno y de
estrangulación se montan de modo que se estrangule
el aire que va al cilindro., La más mínima variación de
la carga, por ejemplo el momento de pasar sobre un
final de carrera, supone una gran variación de la
velocidad de avance. Por eso, esta limitación de
caudal se utiliza únicamente para cilindros de simple
efecto y de volumen pequeño
Limitación del caudal de escape:
(estrangulación secundaria)

En este caso el aire de alimentación entra
libremente en el cilindro; se estrangula el aire de
escape. El émbolo se halla entre dos cojinetes de
aire. Esta disposición mejora considerablemente
el comportamiento del avance. Por esta razón, es
el método más adecuado para cilindros de doble
efecto.En el caso de cilindros de volumen pequeño y
de carrera con, la presión en el lado de escape no
puede formarse con la suficiente rapidez, por lo que
en algunos casos habrá que emplear la limitación
del caudal de alimentación junto con la del caudal de
escape.
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