Sistemas de Potencia Fluida: Transmisión y Control de Energía

Un sistema de potencia fluida transmite y controla la energía mediante la utilización de líquidos o gases presurizados. En el caso del aire comprimido, este procede del aire atmosférico cuyo volumen ha sido reducido por compresión.

Propiedades del Aire Comprimido

• Disponibilidad
• Almacenamiento
• Simplicidad de diseño y control
• Fácil de regular
• Bajo coste en instalación y mantenimiento
• Fiabilidad
• Resistencia
• No contamina
• Seguro

Componentes para la Producción de Aire Comprimido

• Compresor: Comprime el aire, transformando la energía mecánica en neumática.
• Motor eléctrico: Suministra energía, transformando la energía eléctrica en mecánica.
• Presostato: Detecta la presión del depósito y enciende o apaga el compresor.
• Válvula antirretorno: Permite el paso del aire en un solo sentido.
• Depósito: Almacena el aire comprimido.
• Manómetro: Mide la presión del aire.
• Purga automática: Purga el agua del depósito.
• Válvula de seguridad: Expulsa el aire en caso de sobrepresión.
• Secador de aire refrigerado: Enfría el aire para condensar la humedad.
• Filtro de línea: Limpia la línea de polvo, aceite y agua.

Componentes del Sistema Neumático

• Purga de aire: El aire se toma de la parte superior de la tubería.
• Purga automática: Cada tubo lleva su purga.
• Unidad de acondicionamiento del aire: Proporciona aire limpio.
• Válvula direccional: Controla la dirección de movimiento.
• Actuador: Transforma la energía neumática en mecánica.
• Controladores de velocidad: Regulan la velocidad del actuador.

Teoría del Aire Comprimido

Propiedades de los Gases

• Ley de Boyle-Mariotte: A temperatura constante, el volumen ocupado por una masa gaseosa invariable está en razón inversa de su presión.

  P · V = Cte

  P1 · V1 = P2 · V2 = P3 · V3 = Cte

• Ley de Gay-Lussac: A presión constante, el volumen ocupado por una masa gaseosa invariable es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

  V1/T1 = V2/T2 = V3/T3 = Cte

  Coeficiente de dilatación de un gas:

  α = (V – V0) / (V0 · T) KELVIN = Cº + 273

• Ley de Charles: A volumen constante, la presión absoluta de una masa gaseosa invariable es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

  P1/T1 = P2/T2 = P3/T3 = Cte

• Ecuación general de los gases perfectos:

  P1 · V1 / T1 = P2 · V2 / T2 = P3 · V3 / T3 = Cte

La unidad en neumática es litro/min.

La humedad del aire es la cantidad de agua que contiene el aire y depende de la humedad atmosférica y la temperatura.

La humedad relativa es el coeficiente entre el contenido de agua y el punto de condensación. Se calcula:

Humedad relativa = (Contenido de agua / Cantidad de saturación) · 100

El punto de rocío determina la temperatura a la cual el aire llega al punto de saturación. Si la temperatura es superior, no se producirán condensaciones; si es menor, se condensará en forma líquida.

Presión y caudal: Dependen de la presión inicial, del caudal que circula y de la resistencia del aire. Se calcula: Caída de presión = Caudal · Área efectiva

Compresión y Distribución del Aire

Clasificación de Compresores

Alternativos

• Émbolo:
  • Una etapa: Se comprime con una sola compresión. Presión entre 3 y 7 bares.
  • Dos etapas: Cuando se comprime por encima de 6 bares, hay un exceso de temperatura. En la primera etapa, se comprime hasta 3 bares, se enfría y, en la otra etapa, hasta 7 bares.
• Diafragma: Hasta 5 bares. Suministran un aire seco y limpio. Usados en la industria alimentaria.

Rotativos

• Paletas: Tienen un motor montado excéntricamente con unas palas que se deslizan dentro de las ranuras radiales. Al girar el rotor, la fuerza centrípeta mantiene las paletas contra la pared, comprimiendo el aire. La lubricación y la estanqueidad se obtienen inyectando aceite en la corriente de entrada y limitando la temperatura a 190 ºC.
• Tornillo: Dos rotores helicoidales paralelos que giran en un cárter en sentido contrario e impulsan el aire de forma continua. Necesitan lubricación. Pueden dar caudales elevados, 24.000 m3/h, y presiones de 10 a 30 bares.
• Turbocompresor radial: Funciona como una turbina. Va recorriendo todas las etapas de compresión y aumentando la presión. Grandes caudales: 220.000 m3/h y 300 bares.

Rendimiento volumétrico = (Aire comprimido / Desplazamiento) · 100

Elementos de una Instalación Neumática

1. Depósito de Aire Comprimido

Almacena aire para las demandas del compresor. Mantiene la carga y permite un enfriamiento adicional.

El depósito debe estar provisto de una válvula de seguridad, manómetro, purga automática y tapas de inspección.

El volumen para el depósito se calcula:

V₀ = (0,25 · Q_n / Z · (P₁ – P₂) · 10³)

Donde: P1 es la presión máxima, P2 es la presión mínima, Q es el caudal del compresor en m3/h y Z es el volumen nominal a 1 bar.

2. Filtro de Aspiración

El aire contiene partículas sólidas. Hay que poner filtros para la fiabilidad y duración del compresor. No debe ser demasiado fino para no afectar el funcionamiento. La entrada debe situarse en un lugar donde aspire aire limpio y con un diámetro suficiente.

3. Deshidratación del Aire

Debe enfriarse después de la compresión.

• Postenfriadores:
  • Por aire: Una serie de conductos por los que pasa una corriente de aire de un ventilador para enfriarlo.
  • Por agua: Similar al anterior, pero utilizando agua. Pueden enfriar entre 10 y 15 ºC.
• Secadores de aire:
  • Por absorción: El aire pasa por un agente secante que debe ser regenerado. Bajo coste y mantenimiento. No debe exceder de 30 ºC y emplea productos químicos.
  • Por adsorción: Un producto químico absorbe el agua. Cuando se satura, se regenera secándose solo. Hay dos depósitos.
  • Por refrigeración: Una unidad mecánica que incorpora un circuito con dos intercambiadores. Cuando se quiere una mejor calidad, se utilizará un separador de condensados que elimina el 99 % del agua.

4. Filtro de Línea Principal

Elimina la contaminación y los vapores de aceite.

5. Distribución del Aire: Línea Principal

Existen dos tipos:

• Final de línea muerta: Para favorecer el drenaje, las tuberías tendrán una pendiente del 1 % en la dirección del fluido.
• Conductor principal en anillo: El aire se alimenta por dos partes, lo que minimiza la caída de presión. Debe prever tomas de salida de agua con purgas automáticas.

6. Líneas Secundarias

Las derivaciones de la línea se tomarán de la parte superior del conducto para impedir que el agua entre en ella.

7. Purgas Automáticas

• Purgas con flotador: El agua se acumula en el fondo y, cuando sube, levanta el flotador y se expulsa.
• Purgas motorizadas: Drenan el agua periódicamente con una leva. Se utilizan en camiones, autobuses, etc.

8. Cálculo de Tamaño de Conductores de Aire

9. Materiales para la Tubería

Pueden ser de acero o hierro maleable, acero inoxidable, cobre, goma, PVC y nailon.

10. Sistemas de Conexión

• Inserción: El tubo está presionado por un anillo.
• Introducción: Una junta asegura la estanqueidad.
• Autoestanca: Con un mecanismo antirretorno.

Temporizadores

En los automatismos, es necesario incluir un retardo en la mayor parte de los procesos. Los temporizadores tienen dos partes: el receptor, que hay que alimentar, y los contactos asociados.

• Temporizador a la conexión (On Delay): Sus contactos conmutan con un tiempo de retardo a partir de la conexión del mando. Al desconectarlo, sus contactos vuelven a su posición de reposo.
• Temporizador a la desconexión (Off Delay): Sus contactos conmutan de forma inmediata al conectar el mando. Al desconectar, es cuando empiezan a contar, manteniendo sus contactos activados hasta un tiempo determinado. Ejemplo: luz de la escalera.

Tipos de Temporizadores Según su Forma

• Bloque de contactos temporizado: A un contactor se le puede añadir un bloque con dos contactos temporizados.
• Relés temporizados: Es un dispositivo de conmutación que se activa eléctricamente.

Captadores o Sensores de Estado Sólido (Estáticos)

Permiten detectar objetos sin tocarlos. Su funcionamiento está basado en el disparo de un circuito electrónico que genera una señal, actuando como un contacto de apertura y cierre.

Clasificación de Sensores

Fotoeléctricos: Utilizan un rayo de luz como elemento de detección.

• De barrera: El emisor y el receptor están separados y hay que alinearlos. Para grandes distancias, hasta 60 m.
• Réflex: El emisor y el receptor están juntos. Se necesita un espejo. Para distancias medias, hasta 15 m.
• De proximidad: Similar al réflex, pero sin ayuda del cristal. Para cortas distancias, entre 1 y 10 cm.

Inductivos: Detectores de proximidad que detectan objetos metálicos.

Capacitivos: Detectan cualquier objeto.

Ultrasonidos: Detectan objetos de cualquier tipo sin contacto. También se llaman sónar.

Hay sensores de salida digital y analógica. La conexión puede ser de dos o tres hilos.

Elementos de Señalización (Finales de Carrera)

Se utilizan para emitir señales de funcionamiento. Pueden ser ópticos o acústicos.

Interruptores de posición: También llamados finales de carrera, sirven para detectar, por contacto físico, el final del recorrido de un elemento de una máquina. Permiten abrir o cerrar circuitos. Existen varios tipos, como de palanca, leva, varilla, etc.

Actuadores

• Cilindros de simple efecto: Desarrollan trabajo en un solo sentido. Retornan por muelle. Pueden ser de vástago retraído o extendido.
• Cilindro de doble efecto: Desarrolla trabajo en ambos sentidos. El retroceso es menor.
• Cilindro con unidad de bloqueo: Provisto de un bloqueo para sujetar el vástago en cualquier posición. Es mecánico.
• Cilindro de vástagos paralelos: Formado por dos cilindros. Su fuerza es el doble.
• Cilindro de vástago antigiro: Para que no gire fácilmente.
• Cilindro plano: Un actuador exterior rectangular y antigiro.
• Cilindro de doble vástago: Para una gran carrera. Están fijos para mayor rigidez.
• Cilindro tándem: Formado por dos cilindros de doble efecto unidos por un vástago. Proporciona el doble de fuerza con el mismo diámetro. Para espacios reducidos.
• Cilindro multiposicional: Para tener más de dos posiciones fijas (3, 4, 8 y 16 posiciones).
• Unidades deslizantes: Un actuador de precisión con dimensiones compactas. Se utiliza en robots.
• Mesa lineal de traslación: Construcción de doble cilindro, guiado por rodillos cruzados. Es preciso y silencioso.
• Cilindro de tope: Para cargas severas y con amortiguación para absorber golpes por el contacto de la frenada. Está reforzado.
• Cilindro compacto: Compacto, de carrera corta y amortiguación elástica.
• Cilindros sin vástago: Su longitud total es invariable. Transmisión magnética o mecánica. Para carreras muy largas.