Conceptos B

1
Conceptos Básicos

• NEUMATICA

2
Contenido

• Composición del aire

• Presión constante

• Presión Atmosférica

• Volumen constante

• Presión manométrica

• Ley General de los gases

• Compresion Adiabática

• Principio de Pascal

• Compresion Politrópica

• Unidades de Presión

• Humedad Relativa

• Fuerza de un cilindro

• Agua en el aire comprimido

• Escalas de Temperatura

• Intercambiadores de Calor

• Leyes de los gases

• Enfriado

• Temperatura constante

• Caudal en las válvulas

3
Composición del aire
Composición Nitrogeno 78.09 N2 Oxígeno 20.95
O2 Argón 0.93 Ar Otros 0.03
4
Presión atmosférica

• Debida al peso del aire encima nuestro
• Disminuye si
• subimos una montaña
• Aumenta si
• bajamos a una mina
• También varia por condiciones del clima

5
Presión atmosférica

• La presión absoluta y temperatura al nivel del
  mar son 1.01325 bars y 288 K (15OC),
  respectivamente

1013.25 m bar
6
Barómetro de Mercurio

• La presión atmosférica puede medirse por la
  altura de una columna al vacío de un liquido
• Al nivel del mar una columna de mercurio alcanza
  una altura de 760 mm Hg (1.0139 bar)
• Una columna de agua mediría 10 mts. Pero el
  mercurio es mucho más denso que el agua

760 mm Hg
Presión atmosférica
7
Barómetro de Mercurio

• DENSIDADES (Kg /m3)
• Aire 1.25
• Alcohol 806
• Agua 1000
• Mercurio 13600
• (el mercurio es 10880 veces más denso que el
  aire)

760 mm Hg
Presión atmosférica
8
Presión Manométrica (Pg)

• En los sistemas neumáticos la presión se mide con
  manómetros
• La presión manométrica indica la presión en
  exceso a la presión atmosferica
• La graduación de los manómetros se da
  generalmente en bar
• (en equipo inglés en PSI)

9
Presión Manométrica (Pg)
16
17

• La presión manométrica indica la presión en
  exceso a la presión atmosferica
• Presión manométrica cero es igual a la presión
  atmosférica
• En los cálculos con las fórmulas se usan
  presiones absolutasPa Pg 1 atmósfera
• Aunque en realidad 1 atmósfera es igual a 1.013
  bar, se asume que 1 atmósfera es igual a 1 bar

16
15
Rango extendido de presiones
15
14
14
13
13
12
12
11
11
10
10
9
Presión manométrica bar g
9
8
Presión absoluta bar a
8
7
7
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
atmósfera
1
0
0
Vacío
10
Unidades de Presión

• 1 Pascal 1 N / m2
• 1 bar 100,000 Pascal
• 1 bar 10 N / cm2

• Si se usan libras por pulgada cuadrada (psi)
• 1 psi 68.95 mbar14.5 psi 1bar

11
Unidades de Presión

• 1 bar 100000 N/m2
• 1 bar 100 kPa
• 1 bar 14.50 psi (100 psi 6.9 bar)
• 1 bar 10197 kgf/m2
• 1 mm Hg 1.334 mbar aprox.
• 1 mm H2O 0.0979 mbar aprox.
• 1/10 bar (10,000 Pa) es aprox. lo más fuerte que
  una persona promedio puede soplar

12
Principio de Pascal
D mm

• La presión de los fluidos se transmite por igual
  en todas las direcciones
• La fuerza ejercida por un piston es igual al
  producto del area efectiva por la presión del
  aire
• PRESION FUERZA
• AREA
• Por tanto si la presión suministrada es
  constante, a mayor diámetro D del cilindro mayor
  fuerza F para el trabajo

P bar
F
13
Fuerza de un cilindro
D mm

• La fuerza ejercida por un pistón es igual al
  producto del area efectiva por la presión del aire

P bar
D2
P
p
Fuerza

Newtons
40
donde D diámetro del cilindro en mm P
presión en bar
14
Escalas de Temperatura
120
393
240
220
100
373

• OK OC 273.15
• OF 9/5 OC 32
• Fahrenheit y Celsius coinciden a - 40O

200
180
80
353
160
140
60
333
120
313
40
100
80
293
20
60
40
273
0
20
0
253
-20
-20
233
-40
-40
OK
OF
OC
15
Leyes de los gases

• Las variables de estado de los gases son
  presión, volumen y temperatura
• Si mantenemos una de ellas constante, la relación
  de las otras dos esta dada por las siguientes
  leyes
• Temperatura constante P.V constante
• (Ley de Boyle)
• Presión constante V / T constante (Ley de
  Charles)
• Volumen constante P / T constante
• (Ley de Gay - Lusac)

16
Temperatura constante
Presión P bar (absoluta)

• Ley de Boyle el producto de presión y volumen de
  una masa de gas se mantiene si la temperatura no
  se varía
• Este proceso se llama Isotérmico. Debe ser lento
  para que el calor fluya libremente y así la
  temperatura no cambie, cuando el gas es
  comprimido o expandido

16
14
12
10
8
6
4
2
0
2
4
6
8
10
12
14
0
16
Volumen V
P1.V1 P2.V2 constante
17
Presión constante
Temperature Celsius

• Ley de Charles
• El volumen de una
• masa de gas cambia proporcionalmente a su
  temperatura absoluta, si la presión se mantiene
  constante (Isobárico)
• Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio
  de 73.25oC produce un cambio de 25 en volumen
• 0o Celsius 273K

100
80
60
40
293K
20
0
-20
-40
-60
1
2
0
Volume
0.25
0.5
0.75
1.25
1.5
1.75
18
Presión constante
Temperature Celsius

• Ley de Charles
• El volumen de una
• masa de gas cambia proporcionalmente a su
  temperatura absoluta, si la presión se mantiene
  constante (Isobárico)
• Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio
  de 73.25oC produce un cambio de 25 en volumen
• 0o Celsius 273K

100
366.25K
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
1
2
0
Volume
0.25
0.5
0.75
1.25
1.5
1.75
19
Presión constante
Temperature Celsius

• Ley de Charles
• El volumen de una
• masa de gas cambia proporcionalmente a su
  temperatura absoluta, si la presión se mantiene
  constante (Isobárico)
• Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio
  de 73.25oC produce un cambio de 25 en volumen
• 0o Celsius 273K

100
80
60
40
293K
20
0
-20
-40
-60
1
2
0
Volume
0.25
0.5
0.75
1.25
1.5
1.75
20
Presión constante
Temperature Celsius

• Ley de Charles
• El volumen de una
• masa de gas cambia proporcionalmente a su
  temperatura absoluta, si la presión se mantiene
  constante (Isobárico)
• Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio
  de 73.25oC produce un cambio de 25 en volumen
• 0o Celsius 273K

100
80
60
40
20
0
-20
-40
219.75K
-60
1
2
0
Volume
0.25
0.5
0.75
1.25
1.5
1.75
21
Presión constante
Temperature Celsius

• Ley de Charles
• El volumen de una
• masa de gas cambia proporcionalmente a su
  temperatura absoluta, si la presión se mantiene
  constante (Isobárico)
• Desde una temperatura ambiente de 20oC un cambio
  de 73.25oC produce un cambio de 25 en volumen
• 0o Celsius 273K

100
366.25K
80
60
40
293K
20
0
-20
-40
219.75K
-60
1
2
0
Volume
0.25
0.5
0.75
1.25
1.5
1.75
22
Volumen constante
Temperature Celsius

• Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de
  aire se mantiene constante, la presión es
  proporcional a la temperatura
• Un recipiente rígido (volumen constante) a 20oC y
  10 bar de presión absoluta, un cambio de
  temperatura de 60oC produce un cambio de presión
  de 2.05 bar
• 0oC 273K

100
80
60
40
20
0
-20
-40
bar absolute
-60
10
20
0
5
15
23
Volumen constante
Temperature Celsius

• Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de
  aire se mantiene constante, la presión es
  proporcional a la temperatura
• Un recipiente rígido (volumen constante) a 20oC y
  10 bar de presión absoluta, un cambio de
  temperatura de 60oC produce un cambio de presión
  de 2.05 bar
• 0oC 273K

100
80
60
40
20
8
6
10
0
4
12
-20
14
2
bar
16
0
-40
bar absolute
-60
10
20
0
5
15
24
Volumen constante
Temperature Celsius

• Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de
  aire se mantiene constante, la presión es
  proporcional a la temperatura
• Un recipiente rígido (volumen constante) a 20oC y
  10 bar de presión absoluta, un cambio de
  temperatura de 60oC produce un cambio de presión
  de 2.05 bar
• 0oC 273K

100
80
60
40
20
0
-20
-40
bar absolute
-60
10
20
0
5
15
25
Volumen constante
Temperature Celsius

• Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de
  aire se mantiene constante, la presión es
  proporcional a la temperatura
• Un recipiente rígido (volumen constante) a 20oC y
  10 bar de presión absoluta, un cambio de
  temperatura de 60oC produce un cambio de presión
  de 2.05 bar
• 0oC 273K

100
80
60
40
20
8
6
10
0
4
12
-20
14
2
bar
16
0
-40
bar absolute
-60
10
20
0
5
15
26
Volumen constante
Temperature Celsius

• Ley de Gay - Lusac si el volumen de una masa de
  aire se mantiene constante, la presión es
  proporcional a la temperatura
• Un recipiente rígido (volumen constante) a 20oC y
  10 bar de presión absoluta, un cambio de
  temperatura de 60oC produce un cambio de presión
  de 2.05 bar
• 0oC 273K

100
80
60
40
20
8
6
10
0
4
12
-20
14
2
bar
16
0
-40
bar absolute
-60
10
0
5
15
27
Ley General de los gases

• Es una combinación de las leyes de Boyle, de
  Charles y de Gay-Lusac
• Si la masa se mantiene, y la presión, el volumen
  y la temperatura varían, la relacion PV/T
  permanece constante
• P1 V1 P2 V2 constante
• T1 T2

28
Compresión Adiabática

• La compresión instantánea es un proceso
  adiabático (si no hay tiempo para disipar el
  calor a través de las paredes del cilindro)

• En una compresion (o expansión) adiabática P V
  n c (para el aire n 1.4)
• En un cilindro neumático la compresión es rápida
  aunque siempre se pierde algo de calor a través
  de las paredes del cilindro
• Por tanto el valor de n es menor (se usa n ? 1.3)

29
Compresión Politrópica

• En aplicaciones como los amortiguadores de coches
  siempre existe algo de disipación de calor
  durante la compresión
• Este tipo de compresión la podemos situar entre
  la adiabática y la isotérmica
• Por no llegar a la compresión adiabática el valor
  de n será menor a 1.4 dependiendo de que tan
  brusca sea la amortiguación
• Comunmente se usa un factor n 1.2

30
Humedad Relativa (HR)

• Mide la cantidad de vapor de agua en el aire
  comparada con la max cantidad de vapor de agua
  que podria contener antes de su precipitación.
• HR varía con la temperatura del aire.

25 HR
50 HR
100 HR
40
A 20o Celsius 100 HR 17.40 gr/m3 50 HR
8.70 gr/m3 25 HR 4.35 gr/m3
20
Temperatura Celsius
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Gramos de vapor de agua / metro cúbico de aire
(gr / m3)
31
Agua en el aire comprimido

• Cuando una gran cantidad de aire se comprime, se
  nota la aparición de agua
• El vapor de agua en el aire es tambien comprimido
  y el resultado es similar al de exprimir una
  esponja
• Esto provoca que el aire comprimido se sature
  dentro del tanque

aire 100 saturado
Condensado
Drenaje
32
Agua en el aire comprimido

• Imaginémos 4 cubos de 1 m3 de aire libre a 20oC y
  con humedad relativa del 50
• Es decir contienen 8.7 grs. de agua (la mitad del
  max posible que es de 17.4 grs.)

33
Agua en el aire comprimido

• Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para
  formar 1 m3, los 4 x 8.7 34.8 gramos de agua
  no pueden sostenerse en él.
• El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua
• Los otros 2 x 8.7 17.4 grs. agua caen como
  gotas.

34
Agua en el aire comprimido

• Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para
  formar 1 m3, los 4 x 8.7 34.8 gramos de agua
  no pueden sostenerse en él.
• El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua
• Los otros 2 x 8.7 17.4 grs. agua caen como
  gotas.

35
Agua en el aire comprimido

• Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para
  formar 1 m3, los 4 x 8.7 34.8 gramos de agua
  no pueden sostenerse en él.
• El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua
• Los otros 2 x 8.7 17.4 grs. agua caen como
  gotas.

36
Agua en el aire comprimido

• Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para
  formar 1 m3, los 4 x 8.7 34.8 gramos de agua
  no pueden sostenerse en él.
• El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua
• Los otros 2 x 8.7 17.4 grs. agua caen como
  gotas.

37
Agua en el aire comprimido

• Cuando el compresor comprime estos 4 m3 para
  formar 1 m3, los 4 x 8.7 34.8 gramos de agua
  no pueden sostenerse en él.
• El m3 puede mantener como max 17.4 gramos de agua
• Los otros 2 x 8.7 17.4 grs. agua caen como
  gotas.

38
Agua en el aire comprimido

• 4 m3 con 50HR y 1 bar presión atmosferica puede
  comprimirse en 1 m3 con una presión manométrica
  de 3 bar
• 17.4 gramos de agua permanecen como vapor en el
  aire saturado
• Mientras que 17.4 gramos se condensan y se
  precipitan
• Este proceso continúa, y cada vez que la presión
  manométrica excede 1 bar y se comprime 1 m3
  adicional de aire, 8.7 gramos de agua se
  precipitan

39
Intercambiadores de calor
Aire húmedo

• El aire tiene vapor de agua
• Al comprimirse el aire se satura
• Se desea utilizar aire comprimido seco
• Para secar el aire comprimido se utilizan los
  intercambiadores de calor
• Estos enfrian primero y entibian luego el aire
  comprimido
• Al hacerlo secan el aire comprimido

Aire Seco
M
Drenaje
Refrigeración
40
Intercambiadores de calor
Aire húmedo

• El aire húmedo entra al primer intercambiador de
  calor y es enfriado por el aire seco que va
  saliendo
• Este aire entra al segundo intercambiador de
  calor donde es refrigerado
• El condensado se drena al exterior
• A medida que el aire seco y refrigerado sale, es
  entibiado por el aire húmedo que va entrando

Aire Seco
M
Drenaje
Refrigeración
41
Enfriado

• Cuando el aire comprimido saturado se enfría casi
  al punto de congelación,

25 RH
50 RH
100 RH
40
20
Temperatura Celsius
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Gramos de vapor de agua / metro cubico de aire
gr/ m3
42
Enfriado

• Cuando el aire comprimido saturado se enfría casi
  al punto de congelación, aproximadamente el 75
  del vapor de agua se condensa.

25 RH
50 RH
100 RH
40
20
Temperatura Celsius
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Gramos de vapor de agua / metro cubico de aire
gr/ m3
43
Enfriado

• Cuando el aire comprimido saturado se enfría casi
  al punto de congelación, aproximadamente el 75
  del vapor de agua se condensa. Cuando se le
  entibia hasta 20OC se seca alcanzando una humedad
  relativa del 25 HR

25 RH
50 RH
100 RH
40
20
Temperature Celsius
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Gramos de vapor de agua / metro cubico de aire
gr/ m3