Sistemas Hidráulicos y Neumáticos: Fundamentos y Aplicaciones en Tecnología Industrial

Los Fluidos en la Tecnología Industrial

Introducción a los Fluidos

Los fluidos son sustancias que se adaptan a la forma del recipiente que los contiene y que se pueden trasvasar por canalizaciones.

Los circuitos hidráulicos y neumáticos permiten transmitir y multiplicar las fuerzas aplicadas por el conductor, el motor, la bomba o un compresor.

Propiedades de los Fluidos

Densidad

La densidad de un fluido es el resultado de dividir su masa entre el volumen que ocupa: d = M/V

Viscosidad

Es la medida de la resistencia al desplazamiento de un fluido a una determinada temperatura. Cuanto mayor es la viscosidad, mayor es la resistencia.

Capilaridad

Propiedad de los líquidos de poder ascender o descender en un tubo capilar o en un medio poroso.

Presión

Resultado de dividir la fuerza aplicada entre la superficie donde se aplica dicha fuerza: Presión = Fuerza / Superficie. La unidad de medida es el pascal (Pa) = 1 N/m²

La presión relativa es la presión medida con respecto a la atmosférica, y la presión absoluta es la presión sobre el cero absoluto.

La unidad de medida de la presión en el Sistema Internacional es el pascal (Pa), que se define como la presión que realiza la fuerza de un newton aplicada en una superficie de un metro cuadrado: p = F/S

Útiles de medida: manómetro, que dispone de tomas y escalas adecuadas.

Leyes de los Gases

Ley de Boyle-Mariotte

El volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión a la que se encuentre sometido: P x V = K, donde K es una constante si la temperatura y la masa del gas permanecen constantes.

Cuando la presión aumenta, el volumen disminuye; si la presión disminuye, el volumen aumenta: P₁ x V₁ = P₂ x V₂

Ley de Gay-Lussac

El volumen y la temperatura son directamente proporcionales: V_f = V_i x (1 + T/273)

Principio de Pascal

El incremento de presión aplicado a una superficie de un líquido contenido en un recipiente indeformable se transmite con el mismo valor a todas partes: Fuerza = Presión x Superficie

Caudal

Es la cantidad de fluido que pasa por la sección de un conducto por unidad de tiempo.

Circuitos Neumáticos e Hidráulicos

Introducción

Los circuitos neumáticos (gas) e hidráulicos (líquidos) son sistemas que utilizan fluidos para transmitir potencia y movimiento.

Componentes de los Circuitos

Roscas

Se emplean roscas especiales para fluidos, como las roscas Whitworth para gas y las roscas métricas para gas.

Racores

Los racores realizan la unión entre varios componentes. Existen diferentes tipos de racores:

• Racores de conexión rápida
• Racores con rosca
• Racores con cánula y abrazadera

Los racores roscados ofrecen facilidad de montaje y sencillez.

Los racores de unión para canalización más utilizados son los que tienen forma de codo, en T, en L o en cruz.

Los racores con cánula se emplean en circuitos de baja presión. Las abrazaderas aseguran la hermeticidad en la cánula y en la canalización.

Neumática

Introducción a la Neumática

La neumática es la técnica que estudia los movimientos y procesos del aire a presión, depresión o vacío. Un circuito básico está formado por un compresor, un calderín, canalizaciones, una unidad de mantenimiento, un enchufe rápido o toma de presión, una manguera con enchufe rápido y un actuador.

Ventajas del Aire a Presión

• Es barato.
• No es necesario sustituirlo ni reciclarlo.
• Se transporta con facilidad.
• Es fácil de expulsar al exterior sin tuberías de retorno.
• Se puede almacenar en calderines.
• Es menos sensible a las variaciones de temperatura.
• No presenta riesgo de incendio.
• Es limpio.
• Los componentes neumáticos son más fáciles de fabricar.

Desventajas del Aire a Presión

• Antes de emplear el aire comprimido, es necesario limpiarlo bien de partículas abrasivas, impurezas y humedad.
• No es adecuado para realizar circuitos que trabajen con mucha precisión en los desplazamientos.
• Con aire comprimido no es posible obtener velocidades uniformes y constantes.
• Tiene una presión de trabajo de 6 a 8 bares.
• El escape de aire produce ruidos molestos.
• Cuando el compresor lleva muchas horas trabajando, el aceite de engrase puede mezclarse con el aire comprimido y ser expulsado al exterior.

Compresores

Introducción

El compresor es el primer elemento de los circuitos neumáticos. Se trata del conjunto mecánico que se encarga de impulsar o aspirar el aire atmosférico para comprimirlo y aumentar su presión. Sus características principales son el caudal (m³/h) y la presión (bar).

Tipos de Compresores

Compresor de Pistones

Es el compresor más empleado. Tiene una constitución similar a la de un motor de combustión y trabaja realizando dos etapas o tiempos: admisión y compresión.

En la admisión, el pistón se desplaza al punto muerto inferior (PMI) y aspira el gas por la válvula que se abre. Las válvulas de admisión y escape son láminas de acero que se abren y cierran por la corriente del aire.

En la compresión, el pistón, movido por el cigüeñal y la biela, se desplaza al punto muerto superior (PMS) y comprime el aire, obligándolo a salir por la válvula de escape. La lubricación se realiza por barboteo. El compresor dispone de una toma de aceite del circuito con un anillo tórico de hermeticidad, así como una toma para medir la presión hidráulica con un manómetro.

Compresor de Pistones de Dos Etapas

Su principio de funcionamiento es similar al de los compresores de un solo pistón, pero emplean dos compresores de distinto diámetro. Desde el pistón de mayor diámetro se alimenta al de menor diámetro.

Compresor de Membrana

Son compresores alternativos que funcionan de manera similar a los compresores de pistón. La diferencia radica en el sistema de cierre hermético, que en los compresores de pistón lo realizan los segmentos y en los de membrana se realiza con la membrana elástica. El aire no entra en contacto con las paredes metálicas, evitando la contaminación del aire con el aceite de lubricación.

Compresores Rotativos

Los compresores rotativos generan la presión mediante el giro de un rotor u otro elemento que, en su rotación, consigue aspirar el aire exterior y comprimirlo. Pueden aportar un caudal continuo y sin sacudidas.

Compresor Rotativo con Aletas

Dispone de un rotor provisto de aletas que se deslizan en el interior de las ranuras, formando las cámaras con la camisa excéntrica del cárter. Cuando el rotor gira, oprime las aletas contra la pared del cárter y, debido a su excentricidad, el volumen de las cámaras se reduce y el aire se comprime.

Compresor Lóbulos Roots

Los compresores lóbulos Roots trabajan sin sellado interno entre lóbulos. La presión se logra por generación contra resistencia.

Compresor Axial

En los compresores axiales, el aire es aspirado por los álabes de la turbina en su giro y es impulsado para su salida por un difusor o estrechamiento. Consiguen mucho caudal de aire y baja presión. Para elevar la presión, es necesario disponer de varias turbinas en serie.

Compresor de Tornillo

Disponen de dos tornillos helicoidales que engranan con sus perfiles cóncavo y convexo. Trabajan por el principio de desplazamiento y generan un caudal continuo. Son diseñados para funcionar sin lubricación.

Compresor Rotativo de Uña

Son compresores de última generación diseñados para obtener aire a presión sin contaminar por aceite. Se caracterizan por su baja sonoridad (menos de 75 dB). El principio de funcionamiento es similar al del compresor de tornillo.

Tratamiento del Aire Comprimido

El aire comprimido debe estar limpio. Las impurezas que puede tener y que es necesario eliminar son:

• Partículas de polvo y óxido
• Humedad

Filtrado de Partículas Abrasivas

El aire que entra en el compresor se debe limpiar con filtros de partículas, evitando que estas entren en el interior del mecanismo del compresor o al resto de componentes. En la unidad de mantenimiento también se coloca un filtro de partículas y agua.

El filtro funciona de manera que el aire entra en él y atraviesa el elemento filtrante; el aire circula de dentro hacia fuera. Existen filtros de menor poder filtrante en los que el aire pasa de fuera hacia dentro del elemento filtrante.

Secado del Aire

El aire contiene agua en forma de vapor. Esta humedad puede llegar al interior de la red con el aire que aspira el compresor y oxidar los componentes de acero de los circuitos, provocando averías. Por ello, es necesario secar el aire antes de emplearlo. Los métodos más usados son:

• Secado por enfriamiento: buen método, pero costoso.
• Secado por absorción: se realiza con un producto que absorbe la humedad del aire.

Lubricación del Aire

Los componentes del circuito neumático pueden funcionar lubricados con aceite o sin lubricación. A los circuitos que necesitan lubricación se les añade un elemento llamado lubricador.

Regulador de Presión

El regulador de presión se emplea para disponer de una presión de alimentación inferior a la presión de tarado del compresor o de la red. El regulador de presión dispone de un accionamiento manual que, al girarlo, ajusta la salida de presión. La presión de entrada siempre debe ser mayor que la presión de salida o regulada. La presión es regulada por la membrana, que es sometida por un lado a la presión de trabajo y por otro a la fuerza de un resorte. A medida que la presión de trabajo aumenta, la membrana actúa contra la fuerza del muelle.

Unidad de Mantenimiento

Está formada por el filtro de partículas, el regulador y el lubricador.

Calderín y Acumulador de Aire

Una de las ventajas de la neumática y del aire comprimido es que se puede almacenar con facilidad en depósitos cerrados o calderines. Las ventajas son:

• Permite estabilizar el suministro de aire comprimido.
• Posibilita paradas del compresor.
• Se dispone de una reserva de aire a presión que posibilita el funcionamiento durante un tiempo para garantizar la seguridad del circuito.

Las características y componentes de seguridad que los calderines deben tener son las siguientes:

• Se fabrican con acero de forma esférica o cilíndrica.
• Disponen de válvula de vaciado del agua en la parte inferior.
• Disponen de una válvula reguladora de presión.

Canalizaciones

Las canalizaciones permiten la circulación y distribución del aire comprimido desde su generación en el compresor hasta que llega a los receptores o actuadores que transforman la presión en fuerza. Deben cumplir las siguientes recomendaciones:

• Longitud mínima.
• Emplear tramos rectos.
• Emplear un diámetro de canalización adecuado al caudal.

Actuadores

Cilindros

Son los actuadores más empleados en neumática. Permiten realizar esfuerzos y desplazamientos lineales de avance y retroceso de un mecanismo o dispositivo acoplado a su vástago.

Cilindro de Émbolo Simple Efecto

Los cilindros de émbolo de simple efecto tienen una sola entrada de aire comprimido y una cámara que recibe el aire a presión, realizando la fuerza en el sentido de la salida del vástago. El retorno se realiza por la fuerza que realiza un muelle incorporado y prácticamente no realiza fuerza de retroceso.

Cilindro de Doble Efecto

Los cilindros de doble efecto disponen de dos entradas de aire y dos cámaras receptoras. Cuando el cilindro se alimenta con presión por una entrada, por la otra se realiza el escape del aire, sin presión, que contiene la cámara opuesta.

Cilindro de Membrana

La diferencia con los cilindros de émbolo es una membrana de goma o plástico que reemplaza al émbolo. El vástago está fijado en el centro de la membrana y no hay piezas estancas que se deslicen. Los cilindros de membrana pueden ser de simple o doble efecto.

Cilindro de Vástago Pasante

Son cilindros de doble efecto que disponen de un vástago del mismo diámetro en las dos cámaras. Esta disposición permite tener dos cilindros con la misma superficie útil.

Cilindro Tándem

El cilindro tándem tiene una constitución similar a la formada por dos cilindros de doble efecto. Esta disposición permite aplicar simultáneamente presión sobre dos émbolos que dispone y obtener en el vástago el doble de fuerza que la de un cilindro normal con el mismo diámetro.

Motores Neumáticos

Transforman la presión neumática que reciben en un movimiento de rotación o par de giro. El motor neumático tiene una constitución similar a la del compresor, pero trabaja de forma contraria: recibe la presión y realiza un giro continuo.

Motores de Émbolo

Los émbolos se pueden colocar de forma radial o axial. La disposición de los émbolos determina el tipo de motor.

Motores de Aletas

Son los más empleados. Disponen de una maquinaria sencilla y tienen poco peso.

Válvulas

Introducción

Las válvulas son componentes del circuito que distribuyen, regulan y controlan la presión o el caudal del aire del circuito, es decir, realizan todo el automatismo de funcionamiento del circuito. Las válvulas se colocan entre la fuente de presión y los actuadores.

Tipos de Válvulas

Válvulas Distribuidoras y de Mando

Las válvulas distribuidoras se emplean para canalizar la circulación del aire en los circuitos. La válvula, cuando es accionada, abre y cierra los conductos internos que dispone. Con ello se consigue alimentar con presión los actuadores y facilitar el escape del aire.

Existen válvulas de asiento y válvulas de corredera.

Válvulas de Bloqueo y Conmutación

• Válvulas de apertura y cierre de circuito: son válvulas de dos vías y dos posiciones. Se colocan a la entrada del circuito, posibilitando el cierre.
• Válvulas antirretorno: impiden el paso del aire en un solo sentido.
• Válvulas de escape rápido: se emplean para expulsar con rapidez el aire de un circuito.

Válvulas Selectoras

• Función O: se colocan en los circuitos para poder comandar un circuito desde dos o más pulsadores.
• Válvulas de simultaneidad (función Y): se emplean en los circuitos para reforzar la seguridad. Se necesitan dos entradas de presión para tener una salida de presión.

Válvulas de Caudal y Presión

regulan el caudal