Propiedades y Aplicaciones de Fluidos en Sistemas Neumáticos e Hidráulicos

Propiedades de los Fluidos en Sistemas Neumáticos e Hidráulicos

El transporte de energía en los circuitos hidráulicos se realiza mediante un fluido líquido, y en los circuitos neumáticos, por medio de un fluido gaseoso. El fluido más utilizado en los circuitos hidráulicos es el aceite, aunque también se usan otros líquidos como agua, oxígeno o nitrógeno. En la actualidad, los metales líquidos han adquirido gran importancia. Los líquidos tienen un volumen propio, es decir, no son fácilmente compresibles. Por otra parte, no tienen forma propia, ya que adquieren la del recipiente donde estén almacenados.

El aire utilizado en los circuitos neumáticos es una mezcla gaseosa. Si bien su comportamiento puede considerarse como un gas único y, como tal, no tiene forma ni volumen propios, ya que ocupa el recipiente en el que está encerrado. La velocidad a la que circulan los fluidos a través de los circuitos neumáticos e hidráulicos de unos puntos a otros permite considerar distintos flujos en el fluido y repartir su acción total entre ellos. Un fluido almacenado en un recipiente ejercerá una fuerza sobre las paredes del mismo. A la fuerza ejercida se le denomina presión. El aire existente en la atmósfera ejerce una determinada presión, denominada presión atmosférica. A la presión que se mide con respecto a la presión atmosférica se le denomina presión relativa. Los sensores que miden la presión de un fluido se denominan manómetros.

Los Líquidos

Al físico Blaise Pascal se le debe el principio fundamental de la hidrostática: la presión ejercida en un punto de una masa líquida se transmite íntegramente y por igual en todas las direcciones. Una aplicación importante de este principio la constituye la prensa hidráulica que, en esencia, consiste en dos recipientes de secciones diferentes. Si un líquido, supuesto no viscoso, se encuentra en movimiento a través de una tubería, cumple las dos ecuaciones siguientes: ecuación de continuidad y ecuación de Bernoulli.

Los Gases

Para el estudio de los gases, se considera que se comportan como gases perfectos, lo que equivale al cumplimiento de dos condiciones: las fuerzas entre sus moléculas y el volumen de las moléculas es mucho menor que el del recipiente en el que se encuentra alojado el gas, pudiendo considerarse nulo o despreciable. Los gases reales se alejarán de este tipo de comportamiento a altas presiones y bajas temperaturas.

Generalidades de los Circuitos Hidráulicos y Neumáticos

Aunque tanto los circuitos hidráulicos como los neumáticos están recorridos por un fluido, al ser este en un caso líquido y en el otro gaseoso, presentan una serie de diferencias. El aire utilizado en los circuitos neumáticos es gratuito y, por tanto, no se necesita emplear tubos de retorno para recuperarlo después de haberse realizado el trabajo. El aire se expulsa a la atmósfera. Por el contrario, en los líquidos utilizados en los circuitos hidráulicos se les hace retornar a través de una tubería.

Tanto el aire aspirado de la atmósfera como los líquidos empleados en los circuitos hidráulicos contienen partículas que son necesarias eliminar para no dañar el circuito. El aire es un fluido que, para su transporte y almacenamiento, no precisa de instalaciones complicadas. La neumática resulta útil para esfuerzos de hasta 30000 N.

• Elementos activos: Tanto si se trabaja con aire como con fluido, se ha de conseguir un fluido que transmita la energía necesaria para el sistema.
• Elementos de protección: En el caso de los sistemas neumáticos, debido a la humedad existente en la atmósfera, es preciso secar el aire antes de su utilización. También será necesario filtrar y regular su presión.
• Elementos de transporte: Estos elementos, tanto en los sistemas neumáticos como en los hidráulicos, se encargan de conducir adecuadamente la energía.
• Elementos actuadores: Son los elementos que permiten transformar en trabajo útil la energía de un fluido en movimiento.

Elementos Activos

En los circuitos neumáticos e hidráulicos, los elementos activos son aquellos que comunican energía al fluido, mientras que los elementos pasivos son los que consumen, transportan o administran y controlan la energía.

Elementos Activos en el Circuito Neumático

El objetivo que se persigue es que, en el lugar de consumo, el aire mueva un pistón o una rueda de paletas antes de ser expulsado a la atmósfera. Para que el aire pueda realizar este trabajo, hace falta un compresor. Los compresores volumétricos se basan en la ley de Boyle-Mariotte, de manera que, para elevar la presión de un gas, basta con reducir su volumen. Los compresores volumétricos pueden ser alternativos, basados en el mecanismo biela-manivela. Los compresores dinámicos se fundamentan en otro principio distinto: el aire que se hace pasar por una tubería de sección cada vez más reducida y, como el caudal ha de ser el mismo, la velocidad del aire se hace paulatinamente mayor. Cuando se comprime un gas, además de reducir su volumen y aumentar la presión, su temperatura aumenta.

Elementos Activos en los Circuitos Hidráulicos

El elemento no puede ser un compresor, ya que los líquidos son prácticamente incompresibles. En este caso, es necesario utilizar una bomba, cuya misión es comunicar el movimiento al fluido, proporcionándole de esta manera una cierta energía.

Acumulador

Es donde se almacena el aire a presión o un líquido.

Acumulador en un Circuito Neumático

Aunque el aire se toma de la atmósfera, en los circuitos neumáticos es necesario disponer de un depósito. Hay varios motivos que lo justifican: para que el caudal fluctuante del compresor no afecte al resto del circuito, para poder desconectar el compresor cada cierto tiempo, para poder, en algunos casos, suministrar a un caudal, etc. Además del sensor de presión, el depósito suele contar con sensores de temperatura.

Acumulador en un Circuito Hidráulico

Los líquidos circulan a través de circuitos hidráulicos, al contrario que el aire. Por eso, debe existir un depósito en el que puedan permanecer almacenados. El acumulador ayuda a separar el fluido del aire y los agentes extraños. El depósito va provisto de sensores de presión y temperatura, y también de un grifo para drenar las impurezas.

Elementos de Protección

Son los encargados de eliminar las impurezas en el circuito y protegerlo.

Elementos de Protección en un Circuito Neumático

• Filtro: Cumple dos funciones primordiales: por una parte, elimina el agua; por otra, las partículas e impurezas que contenga en suspensión. Hay tipos de filtro que llevan a cabo esta eliminación haciendo pasar el aire a través de un material poroso que se deberá reemplazar periódicamente.
• Lubricador: Inyecta unas gotas de aceite de tamaño muy fino dentro del flujo de aire, creándose una especie de niebla de aceite que tiene como finalidad evitar que el aire produzca un desgaste excesivo en los elementos del circuito.
• Limitador de presión: Se encarga de que la compresión del circuito se mantenga por debajo de un cierto límite.
• Silenciador: La expulsión del aire a la atmósfera después de haber realizado el trabajo, como consecuencia de que la presión sea muy elevada, se debe realizar a través de un silenciador.

Elementos de Protección en Circuitos Hidráulicos

• Filtro
• Válvula de alivio: Desempeña aquí el mismo cometido que la válvula de escape de los circuitos neumáticos. En el caso de que la presión supere un determinado valor, se libera el fluido, haciendo que se reintegre de nuevo al depósito.

Si se trata de circuitos hidráulicos, no hay necesidad de silenciador, pues el fluido no se expulsa a la atmósfera.

Elementos de Transporte

Son los encargados de llevar el fluido en los circuitos neumáticos e hidráulicos hasta los puntos de consumo.

Elementos de Transporte en los Circuitos Neumáticos

Las tuberías deben conducir el aire de un punto a otro distinto, de tal forma que la pérdida de presión sea la mínima posible y, para ello, su superficie interior ha de estar convenientemente pulida. En algunos casos, como por ejemplo el martillo neumático, es necesario que la tubería sea móvil. Para ello, se utiliza el latiguillo. Las conexiones de las tuberías de consumo respecto a la línea principal se realizarán por la parte de arriba para evitar que se introduzca agua en los puntos de consumo.

Elementos de Transporte en Circuitos Hidráulicos

En los circuitos hidráulicos, el transporte del fluido se realiza también por medio de tuberías, siendo válidas las mismas consideraciones realizadas para los circuitos neumáticos. Tanto en los circuitos hidráulicos como en los neumáticos, existen unas tuberías que forman el circuito de potencia, representadas mediante líneas continuas, y otras que constituyen los circuitos auxiliares. Cuando tres o más tuberías se unen en un punto, la unión se representará mediante un círculo.

Elementos de Control de Circuitos Neumáticos e Hidráulicos

Deben existir una serie de elementos encargados de controlar el fluido que se inyecta hacia los elementos de consumo: la dirección del flujo, la presión del flujo y el flujo.

Válvulas Controladoras del Flujo

El flujo puede circular a través de unas tuberías según los casos. Las válvulas controladoras de dirección, también llamadas distribuidores.

Válvulas Controladoras de Presión del Fluido

Cuando se describieron los elementos de protección, se mencionó que existía una válvula de alivio que se encargaba de mantener la presión por debajo de un límite.

Válvulas Controladoras de Flujo

Mediante las válvulas controladoras de flujo se puede modificar la velocidad de circulación del fluido. En ocasiones, es necesario mantener limitada la velocidad del fluido. En otros casos, es preciso que el fluido circule libremente en un sentido y de una forma limitada en el contrario. Con esta finalidad, se utiliza el regulador unidireccional. Se utiliza para los cilindros, para conseguir que el pistón se desplace rápidamente. Cuando se desea que circule en un sentido, se utiliza la válvula antirretorno y, por otro lado, está la válvula de simultaneidad.