Teoria de los sistemas neumaticos

Factores Teoria del AireFactores Teoria del AireFactores Teoria del AireFactores Teoria del Aire

Para sistemas Para sistemas NeumáticosNeumáticos IndustrialesIndustrialesPara sistemas Para sistemas NeumáticosNeumáticos IndustrialesIndustriales

15/04/2315/04/23 Ing. Alfredo R Maya RIng. Alfredo R Maya R 1

Teoría de los Teoría de los sistemas sistemas

Neumáticos Neumáticos

Teoría de los Teoría de los sistemas sistemas

Neumáticos Neumáticos

Temario Temario Temario Temario


Composicion del aireComposicion del aire PresiónPresión atmosféricaatmosférica Aire Aire comprimidocomprimido Presión UnidadesUnidades de de PresiónPresión Fuerza y Fuerza y PresiónPresión LeyesLeyes de gases de gases TemperaturaTemperatura ConstanteConstante

PresiónPresión ConstanteConstante Volumen ConstanteVolumen Constante Ley General de GASESLey General de GASES CompresiónCompresión AdiabáticaAdiabática Agua en el aire Agua en el aire Secado a baja temperaturaSecado a baja temperatura Flujo de aire comprimidoFlujo de aire comprimido Calidad de aireCalidad de aire

ComposiciónComposición del del aireaireComposiciónComposición del del aireaire

El aire se encuentra libre El aire se encuentra libre en el ambiente como una en el ambiente como una sustancia que fluye sustancia que fluye

Nosotros admitimos Nosotros admitimos grandes cantidades de grandes cantidades de aire; es decir los espacios aire; es decir los espacios se encuentran llenos de se encuentran llenos de aire aire

El aire se encuentra El aire se encuentra compuesto compuesto principalmente de principalmente de nitrógeno y oxigenonitrógeno y oxigeno


Composición por VolumenNitrógeno 78.09% N2

Oxigeno 20.95% O2

Argon 0.93% ArOtros 0.03%

Presión AtmosféricaPresión Atmosférica La presión atmosférica

es causada por el peso del aire sobre nosotros

Esto es pesa en menos en la cima de la montaña , y mas cuando estamos por ejemplo :en una mina

El valor de la presión

cambia con la humedad


AtmósferaAtmósfera Estandar Estandar

Una atmósfera estándar esta definida por la Una atmósfera estándar esta definida por la Organización Internacional de Aviación Civil Organización Internacional de Aviación Civil como la presión y temperatura al nivel del mar como la presión y temperatura al nivel del mar es 1013.25 milibar absoluto y 288 Kº (15es 1013.25 milibar absoluto y 288 Kº (15OOC)C)


1013.25 m bar

AtmósferasAtmósferas ISO ISO

Recomendación ISO R 554 Valores de atmósferas estándar para acondicionamiento y

pruebas de materiales, componentes ò equipo 20OC, 65% HR, 860 a 1060 mbar 27OC, 65% HR, 860 a 1060 mbar 23OC, 50% HR, 860 a 1060 mbar Tolerancias ± 2OC ± 5% HR Tolerancias reducidas ± 1OC ± 2% HR

Referencias estándar de atmósferas el cual hace pruebas con otras atmósferas

20OC, 65% HR, 1013 mbar


PresiónPresión AtmosféricaAtmosférica

Se pueden observar Se pueden observar las presiones en el las presiones en el mapa de humedad mapa de humedad

Las líneas llamadas Las líneas llamadas isobaras muestran isobaras muestran los contornos de los contornos de presión en milibar presión en milibar

Esta información Esta información ayuda a predecir la ayuda a predecir la fuerza y dirección del fuerza y dirección del vientoviento


BAJABAJA

1015 mb1015 mb

1012 mb1012 mb

1008 mb1008 mb

1000 mb1000 mb

996 mb996 mb

BarómetroBarómetro MercurioMercurio

La presión atmosférica puede medirse como altura de columna de liquido para ( vacío)

760 mm Hg. = 1013.9 milibar aproximadamente

Un barómetro de tubo de agua puede ser sobre 10 metros long. Hg. = 13.6 veces la densidad del H2O

Para medidas de vacío

1 mm Hg. = 1 Torr760 Torr = No vacío

0 Torr = vacío completo


760 mm Hg

AtmósferaAtmósfera y y vacíovacío

La potencia de la presión atmosférica es aparentemente representada por los sistemas industriales (pick & place )toma y deja a través de copas de succión y maquinas formadoras de vació

El aire es removido en uno de los lados alojando la presión atmosférica y en otro la presión de trabajo. (Empaque blister)


Aire comprimido Aire comprimido IndustrialIndustrial

Las Presiones se expresan en “bar. man” manometricos ( es el valor sobre la atmosférica )

La presión cero manométrica es la presión atmosférica

La presión absoluta que se usa en los cálculos es la siguiente Pa = Pman + Patmosfèrica

Para cálculos rápidos se supone 1 atmósfera son 1000 mbar

Para cálculos estándar 1 atmósfera son 1013 mbar


bajorango

Rango Rango

01234

5

67

8

910

111213

1415

1617

01234

5

67

8

910

111213

1415

16

Pre

sión

abs

olut

a en

ba

r a

Pre

sión

man

omét

rica

bar

man

Vacío completo

Atmósfera

RangoRangoextendidoextendidoIndustrialIndustrial

Presión

1 bar = 100000 N/m2 (Newton's por metro cuadrado)

1 bar = 10 N/cm2


Para mediciones de bajas presiones se utiliza el milibar (mbar)

1000 mbar = 1 bar. Para mediciones en

libras por pulgada cuadrada (psi)1 psi = 68.95mbar14.5 psi = 1bar

UnidadesUnidades de de PresiónPresión

Algunos valores de las unidades de presión importantes y sus equivalencias

1 bar. = 100000 N/m2 1 bar. = 100 kPa 1 bar. = 14.50 psi 1 bar. = 10197 kgf/m2

1 mm Hg = 1.334 mbar aprox. 1 mm H2O = 0.0979 mbar aprox.

1 Torr = 1mm Hg. abs. (para vació)

15/04/2315/04/23 Ing. Alfredo R Maya RIng. Alfredo R Maya R 12Mas unidades de presión

Fuerza y PresiónFuerza y Presión



El aire comprimido ejerce una fuerza de un valor constante hacia cada contacto con la superficie de la presión interna que contiene el equipo.

El fluido en este deposito puede encontrarse presurizado y transmitir esta fuerza.

Es decir por cada bar. de presión manométrica externamente se ejercen , 10 Newtons uniformente por centímetro cuadrado



El empuje desarrollado por el pistón es debido a la presión del aire , por el área efectiva multiplica esta presión


empuje = D2

40P Newtons

D mm

P bar

dondeD = diámetro del cilindro en mmP = la presión del sistema en bar. Si se requiere la respuesta en Newtons 1bar = 100000 N/m2 40 = cte


La fuerza contenida en la camisa del cilindro es proyectada en el área y multiplicada por la presión


l

D

Fuerza=D . l . P10

Newton's

dondeD = diámetro del cilindro en mml = longitud de la camisa presurizada mmP = presión del sistema en bar.


Se llama cilindro diferencial por el siguiente principio si se conecta presión a ambos puertos del pistón se moverá hacia el área menor debido a esta diferencia de áreas

Si a través del vástago del cilindro en esta caso se iguala el diámetro las presiones ; fuerzas se igualan incluyendo las velocidades tanto en una dirección como en otra


Fuerza y PresiónFuerza y Presión Este principio se utiliza en un carrete balanceado de

una válvula direccional , en donde la acción de la presión no causa ningún movimiento debido a que las fuerzas están equilibradas de izquierda a derecha y viceversa , debido al carrete balaceado.

P1 y P2 suministran y descargan presiones


P1 P2





P1P2





P1 P2

Ley de GasesLey de Gases


Ley de GasesLey de Gases

Algunas de las propiedades de la masa del aire son consideradas como variables las cuales son la presión , volumen y temperatura.

Cuando se asume que una de estas tres variables toma un valor constante observamos que las dos restantes mantienen una relación entre ellas, según sea el caso.

Temperatura constante

Presión constante

Volumen constante


P.V = constante

= constanteV

T

= constanteP

T

Temperatura Constante



La ley de Boyle establece el producto de una presión absoluta y volumen nos da como resultado una masa constante siempre y cuando la temperatura del gas permanece constante

Este proceso se llama isotérmico (temperatura constante). Esto debe de ser lo mas lento posible para que el calor fluya y permita que el aire se comprima y se expanda en la misma proporción.


0 2 4 6 8 160

2

4

6

8

10

12

Volumen V

Presión Pbar absoluto

P1.V1 = P2.V2 = constante

10 12 14

14

16



Este proceso se llama isotérmico (temperatura constante). Esto debe de ser lo mas lento posible para que el calor fluya y permita que el aire se comprima y se expanda en la misma proporción.


0 2 4 6 8 160

2

4

6

8

10

12

10 12 14

14

16



Volumen V



Este proceso se llama isotérmico (temperatura constante). Esto debe de ser lo mas lento posible para que el calor fluya y permita que el aire se comprima y se expanda en la misma proporción


0 2 4 6 8 160

2

4

6

8

10

12

10 12 14

14

16



Volumen V





0 2 4 6 8 160

2

4

6

8

10

12

10 12 14

14

16



Volumen V

PresiónPresión Constante Constante


Presión ConstantePresión Constante La ley de Charles establece

: para una masa de gas a presión constante el volumen es proporcional a la temperatura absoluta.

Suponiendo que no existe fricción el volumen cambia y se mantiene a presión constante.

De una temperatura ambiente de 20oC cambia a 73.25oC se puede producir un 25% de cambio en el volumen

0o Celsius = 273K


0 0.25 0.5 0.75 1 2-60

-40

-20

0

20

40

60

Volumen

TemperaturaCelsius

1.25 1.5 1.75

80

100

293K

V1 V2T1(K) T2(K)

= c=





0o Celsius = 273K


0 0.25 0.5 0.75 1 2-60

-40

-20

0

20

40

60

Volumen

TemperaturaCelsius

1.25 1.5 1.75

80

100 366.25K

V1 V2T1(K) T2(K)

= c=





0o Celsius = 273K


0 0.25 0.5 0.75 1 2-60

-40

-20

0

20

40

60

Volumen

TemperaturaCelsius

1.25 1.5 1.75

80

100

219.75K

V1 V2T1(K) T2(K)

= c=





0o Celsius = 273K


0 0.25 0.5 0.75 1 2-60

-40

-20

0

20

40

60

Volumen

TemperaturaCelsius

1.25 1.5 1.75

80

100 366.25K

219.75K

293K

V1 V2T1(K) T2(K)

= c=

Volumen constante


Volumen ConstanteVolumen Constante

De la Ley de Boyle y la Ley de Charles se puede ver que el volumen que nos entrega una masa de aire que se puede mantener de un valor constante la presión es proporcional a la temperatura absoluta Kº

Para un volumen a 20oC y 10 bar. absolutos cambia en temperatura de 60oC produce un cambio en presión de 2.05 bar.

0oC = 273K


0 5 10 20-60

-40

-20

0

20

40

60

TemperaturaCelsius

15

80

100

0

2

4

68

bar

10

12

14

16

P1 P2T1(K) T2(K)

= c=

bar absoluto




0oC = 273K


0 5 10 20-60

-40

-20

0

20

40

60

TemperaturaCelsius

15

80

100

0

2

4

68

bar

10

12

14

16

P1 P2T1(K) T2(K)

= c=

bar absoluto




0oC = 273K


0 5 10-60

-40

-20

0

20

40

60

bar absoluto

TemperaturaCelsius

15

80

100

0

2

4

68

bar

10

12

14

16

P1 P2T1(K) T2(K)

= c=

Ley general de los Gases

La Ley general de los gases es una combinación entre la Ley de Boyle y la Ley de Charles , en donde la presión , el volumen y la temperatura pueden varias entre estados de una masa de un gas pero de estas relaciones da como resultado un valor constante .


= constanteP1 .V1

T1

P2 .V2

T2

=

Compresión Adiabática y Compresión Adiabática y politrópicapolitrópica

Para aire comprimido


Compresión AdiabáticaCompresión Adiabática En teoría , cuando un

volumen de aire es comprimido instantáneamente , el proceso es adiabático (este tiempo es para disipar el calor a traves de las paredes del cilindro)


Para compresión y expansión adiabática

P V n = c para el aire n = 1.4

En un cilindro el proceso de compresión es muy rápido pero el calor puede disiparse a través de las paredes del cilindro entonces este valor cambia a un valor n que puede ser menor 1.3 aproximadamente para latas velocidades de compresión2 4 6 8

0

2

4

6

8

10

12

bar a

10 12 14

14

16

16

PV 1. 4 = cadiabática

PV 1. 2 = cpolitropica

PV = cisotérmica

Volumen0

Compresión poli Compresión poli trópicatrópica

En la practica algunos amortiguadores de impacto absorben la perdida de calor durante la compresión

La característica de compresión se comporta entre adiabática e isotérmica .

El valor de n debe ser menor que 1.4 dependiendo del rango de compresión típicamente se usa PV 1.2 = c y puede usarse durante la aplicación del proceso.


Agua en el aire comprimidoAgua en el aire comprimido(condesados)(condesados)


Agua en el aire Agua en el aire comprimidocomprimido

En grandes cantidades de aire comprimido , es muy notable el acumulamiento de agua formada

El vapor de agua natural esta contenido en el aire atmosférico como este es (torcido) escurre como una esponja

El aire completamente saturado se dice que esta (100% HR) en un deposito


Drenaje

aireairesaturadosaturadocompletocompleto

Condensado

Agua en el aire comprimido El acumulamiento de vapor de agua contenido en la

atmósfera es medido como humedad relativa (porcentaje)% HR. Este porcentaje es en proporción del acumulamiento máximo que puede tomar en una temperatura prevaleciente.


-40

-20

0 10 20 30 40 50

0

20

40

Gramos de vapor de agua / metro cúbico de aire g/m3

60 70 80

Tem

per

atu

ra C

els

ius

25% HR 50% HR 100% HR

a 20o Celsius100% HR = 17.4 g/m3

50% HR = 8.7 g/m3

25% HR = 4.35 g/m3

Agua en el aire comprimidoAgua en el aire comprimido La ilustración muestra cuatro cubos que representan 1

metro cúbico de aire atmosférico a 20oC. Cada uno de estos volúmenes tienen una humedad relativa del 50% (50%HR). Esto principalmente contiene actualmente 8.7 gramos de vapor de agua, la mitad del máximo posible que son 17.4 gramos


Agua en el aire comprimidoAgua en el aire comprimido Cuando el compresor comprime estos cuatro metros

cúbicos en un metro cúbico esta es una relación 4:1 es decir se tiene 4 veces 8.7 gramos, pero solo dos pueden retener vapor de agua en nuevo espacio de metro cúbico los otros dos contienen el condensado el cual hay que drenar


Agua en el aire comprimidoAgua en el aire comprimido

Cuando el compresor comprime estos cuatro metros cúbicos en un metro cúbico esta es una relación 4:1 es decir se tiene 4 veces 8.7 gramos, pero solo dos pueden retener vapor de agua en nuevo espacio de metro cúbico los otros dos contienen el condensado el cual hay que drenar


Agua en el aire comprimidoAgua en el aire comprimido 4 metros cúbicos a 50%HR y 1000

mbar de presión atmosférica contenida en un espacio de 1 metro cúbico produce a una presión de 3 bar. manometricos

17.4 gramos de agua principalmente vapor producido al 100% HR (humedad relativa) y 17.4 gramos de agua condensada

Esto es un proceso continuo, una vez que la presión manométrica es sobre 1 bar., cada vez un metro cúbico de aire es comprimido, y se le adiciona 1 metro cúbico hasta adicionar 8.7 gramos de agua condensada.


Baja temperatura secado del aireBaja temperatura secado del aire


Baja temperatura secadoBaja temperatura secado El aire Húmedo entra

primeramente en un intercambiador en donde este es enfriado para que el aire seco salga.

El aire entra en un segundo intercambiador donde este es refrigerado

El condensado en este paso es drenado en ese momento.

Este aire refrigerado sube porque esta mas caliente del aire que esta entrando.


M

Salida de aire seco

Entrada de aire Húmedo

Dren

Planta de Refrigeración

Baja temperatura secadoBaja temperatura secado Si un 1 metro cúbico de aire comprimido completamente

saturado al ( 100 % HR ) es enfriado sobre el punto de congelamiento, aproximadamente el 75% del vapor contenido en forma de condensado es drenado. Cuando este es entibiado regresa a 20OC este es secado cerca de 25% HR


-40

-20

0 10 20 30 40 50

0

20

40


60 70 80

Tem

per

atu

ra C

els

ius

25% HR 50% HR 100% HR




-40

-20

0 10 20 30 40 50

0

20

40

60 70 80

Tem

per

atu

ra C

els

ius

25% HR 50% HR 100% HR


Flujo de aire comprimidoFlujo de aire comprimido


Unidades de FlujoUnidades de Flujo Flujo es medido en cantidad

de aire libre por unidad de tiempo

Unidades comunes son : Litros ò decímetro cúbico

por segundol/s ò dm3/s

Metros cúbicos por minutom3/m

pies cúbicos por minuto (misma para pies cúbicos de aire libre) scfm

1 m3/m = 35.31 scfm 1 dm3/s = 2.1 scfm 1 scfm = 0.472 l/s 1 scfm = 0.0283 m3/min


1 metro cúbico ò 1000 dm3

1 litro ò Decímetro cúbico

1 pie cúbico

Flujo de aire libre El espacio entre las El espacio entre las

presiones en bar. presiones en bar. representan el volumen representan el volumen actual en una tubería actual en una tubería ocupado por 1 litro de aire ocupado por 1 litro de aire libre a sus respectivas libre a sus respectivas presiones absolutas.presiones absolutas.

Flujo toma lugar y es el Flujo toma lugar y es el resultado de la presión resultado de la presión diferencial, a 1bar absoluto diferencial, a 1bar absoluto (0 bar. manometrico) esto es (0 bar. manometrico) esto es siempre y cuando se tenga siempre y cuando se tenga flujo a presión de vació.flujo a presión de vació.

Si la velocidad es la misma Si la velocidad es la misma en cada caso el flujo es dos en cada caso el flujo es dos veces sobre la unidadveces sobre la unidad


Volumen Actual de 1 litro de aire a presión

0

1/8

1/16

1/4

1/2

1 litro1bar a

2bar a

4bar a

8bar a

16bar a

Flujo sonicoFlujo sonico El limite de velocidad con el aire

y el flujo es la velocidad del sonido

Para un flujo sonico, P1 puede ser 2 veces P2 ò mas

Cuando existe una descarga de aire de un tanque a alta presión a la atmósfera el flujo es constante bajo P1 y menor que 2 P2

Cuando se carga un tanque el flujo es constante bajo P2 es 1/2 P1


1.894

P1 es 9 bar. a Tanque a la atmósfera

9

P1 barabsoluto

tiempo

2P2

0 5 10 200123456

15

78

atm

9

0 5 10 200123456

15

78

P2 barabsoluto

P1 es 9 bar a Fuente a tanque

1/2P1

atm

Flujo a través de válvulasFlujo a través de válvulas El rendimiento de flujo en una válvula se indica El rendimiento de flujo en una válvula se indica

completamente por medio del factor de flujo ; el cual se puede completamente por medio del factor de flujo ; el cual se puede indicar por medio de “C”, “b”, “Cv”, “Kv” y otros. indicar por medio de “C”, “b”, “Cv”, “Kv” y otros.

Para mayor presicion se determina el rendimiento de una Para mayor presicion se determina el rendimiento de una válvula neumática a través de estos valores de “C” válvula neumática a través de estos valores de “C” (conductancia) y “b” (relación de presión critica). Lo anterior se (conductancia) y “b” (relación de presión critica). Lo anterior se determina bajo la prueba de válvula por la norma ISO 6358 determina bajo la prueba de válvula por la norma ISO 6358

Para un rango de presiones de Para un rango de presiones de

origen estables Porigen estables P11 presión P presión P2 2

es comparada con el flujo es comparada con el flujo a través de la válvula bajo a través de la válvula bajo alcances máximos alcances máximos

El resultado es un grupo de El resultado es un grupo de

curvas en donde se muestrancurvas en donde se muestranlas características las características de la válvula de la válvula


P1 P2

Flujo a través de Flujo a través de válvulasválvulas

Para estas curvas la relación de presión critica “b” puede definirse como . “b” representa la relación de P2 a P1 con un flujo de velocidad sonico. Con lo cual la conductancia“C” en este flujo “dm³/ segundo / bar absoluto”


Caida de Presion P2 bar manometricos

Relacion de presion critica b = 0.15

0 1 2 3 4 5 6 70

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5ConductanciaC= 0.062 dm/s/bar Solo en una parte Horizontal de la curva

Flujodm3/s de airelibre

P1 es punto ceroFlujo para Cada curva

Flujo a través de Flujo a través de válvulasválvulas Si se tienen unas curvas que no están disponibles pero

la conductancia y la relación de presión critica son valores conocidos de flujo a cualquier presión se puede usar la siguiente formula.


Q = C P1 1 -1 - b

P2

P1

- b

2

donde : P1 = presión arriba barP2 = presión abajo barC = conductancia dm3/s/bar ab = relación de presión criticaQ = flujo dm3/s

Calidad de Aire Calidad de Aire


Calidad de filtración Calidad de filtración del airedel aire

ISO 8573-1 regla general de aire comprimido

Parte 1 clases contaminantes y calidad

Niveles permisibles de contaminación son determinados por una calidad numérica

Especificando de acuerdo a los niveles de contaminantes :

Partículas sólidas Agua aceite

Esta clase de calidad se puede dividir en tres calidades numéricas de acuerdo a la norma 1.7.1

solidos 0.1 µm maxy 0.1 mg/m 3 max

Agua no esta especificada 0.01 mg/m3 max

Estos son los resultados de fabricantes de filtros uso neumático.

Para obtener la presión del punto de condensación cuando es bajo , puede usarse aire seco.


Calidad del aire Calidad del aire comprimidocomprimido


Clase

TamañoPart. max

µm

Sólidos

concentración

mg/m3

Agua

Max Presion Punto de condensación OC

Aceite

concentraciónmg/m3

1 0.1 0.1 – 70 0.01

2 1 1 – 40 0.1

3 5 5 – 20 1

4 15 8 + 3 5

5 40 10 + 7 25

6 - - + 10 -

7 - - Sin especificación -

maxima

La presión del punto de condensación es la temperatura cuando el aire comprimido es enfriado antes de convertirse en vapor de agua , el aire inicia con partículas de agua condensada

ISO 8573-1

Gracias ……………………..Gracias ……………………..


Unidades de presión Unidades de presión

Atmósfera estándar = 1.01325 bar abs Atmósfera técnica = 0.98100 bar abs 1 mm Hg. = 1.334mbar aprox. 1 mm H2O = 0.0979 mbar aprox.

1 kPa = 10.0 mbar 1 MPa = 10 bar 1 kgf/cm2 = 981 mbar 1 N/m2 = 0.01 mbar 1 Torr = 1mmHg abs (para vacio)


Unidades de PresiónUnidades de Presión

1 bar = 100000 N/m2 1 bar = 1000000 dina/cm2

1 bar = 10197 kgf/m2

1 bar = 100 kPa 1 bar = 14.50 psi 1 bar = 0.98690 atmósfera estándar


Unidades de PresiónUnidades de Presión

1 dina /cm2 = 0.001mbar 1 psi = 68.95mbar Atmósfera estándar = 14.7 psi aprox. Atmósfera estándar = 760 Torr aprox. 1 pulg. Hg. = 33.8 mbar aprox. 1 pulg. H2O = 2.49 mbar aprox.

100 mbar es la presión aproximada en la cual de una persona promedio puede soplar


Conversión de TemperaturaConversión de Temperatura


233

253

273

293

313

333

353

373

393 La escala de temperatura absoluta es medida en grados Kelvin OK

En la escala Celsius el 0OC y 100OC son los puntos de congelamiento y evaporación del agua

OK = OC + 273.15 En las escalas

Fahrenheit y Celsius coincide un valor - 40O

OF = OC. 9/5 + 32

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

OK

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

OF OC

GRACIAS .......................... GRACIAS .......................... e mail : e mail :

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Teoria de los sistemas neumaticos

Engineering

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