DISEÑO DE REDES DE AIRE COMPRIMIDO Y …

1 DISE O DE REDES DE AIRE COMPRIMIDO Y SELECCI N DE COMPONENTES NEUM TICOS ORIENTADOR: FRANCISCO JAVIER HENAO CASTA EDA CONCEPTOS FUNDAMENTALES HISTORIA La primera aplicaci n del aire COMPRIMIDO consisti en el soplado de cenizas para reavivar el fuego. El aire empleado hab a sido COMPRIMIDO en los pulmones a los que podemos considerar como un compresor natural. Los pulmones son capaces de tratar 100 =6 3/ y ejercen una presi n entre . Pero el compresor humano se volvi insuficiente cuando el hombre comenz a fundir metales (3000 ) donde las temperaturas son superiores a los 1000 C. El primer compresor mec nico fue el fuelle manual inventado en la mitad del tercer milenio Luego vendr a el fuelle de pie que se us en los a os 1500 Esto ocurri cuando la fundici n del bronce (aleaci n de cobre esta o) y de oro se convirtieron en un proceso estable de producci n como qued registrado en algunas de la tumbas egipcias.

2 Figura 1. Fuelles manuales para producci n de aire La primera persona que se ocup de la neum tica y su estudio, es decir, de la utilizaci n del aire COMPRIMIDO como fuente de energ a para realizar trabajo fue el matem tico e inventor griego Ktsibios (282 hasta 222 ), quien escribi los primeros tratados acerca de este tema y hoy se le recuerda como el padre de la neum tica. Hace m s de 2000 a os construy una catapulta de aire COMPRIMIDO basada en un ca n neum tico que rearmado manualmente comprim a aire en los cilindros. Gran parte de los historiadores hablan de l pero lamentablemente todos sus trabajos se han perdido. Figura 2. Pioneros de herramientas y m quinas neum ticas Los fuelles de pie que se usaron hasta el a o 1762 fueron reemplazados por el cilindro soplante de John Smeaton (1724-1792) accionado por una rueda de un molino.

3 Al aumentar la capacidad de los hornos de fundici n, los fuelles convencionales se quedaban cortos y el cilindro de Smeaton aunque tosco resultaba efectivo. El primer prototipo de todos los compresores mec nicos fue la m quina sopladora de vapor construida por John Wilkinson (1728-1808) e instalada en su f brica de Wilby en Shropsirs en 1776. Funcionaba a una presi n entorno de 1 bar. En el siglo XIX se comenz a utilizar el aire COMPRIMIDO en la industria de forma sistem tica con herramientas neum ticas. Fue en 1857 durante la construcci n del t nel de Mont-Cenis de kil metros de longitud cuando los ingenieros constataron que por medios manuales tardar an en terminal el t nel alrededor de 30 a os y decidieron utilizar una perforadora de aire COMPRIMIDO con presiones de hasta 6 bares que permit a alcanzar velocidades de avance de dos metros diarios frente a los que se obten an por medios tradicionales.

4 Figura 3. Construcci n del t nel de Mont-cenis Con la construcci n del t nel, muchos otros proyectos neum ticos fueron abordados tales como por ejemplo el primer martillo neum tico inventado en 1880. George Westinghouse (1846-1914) inventa los frenos de aire COMPRIMIDO y los patenta en 1869 Figura 4. Inventor de los frenos de aire En 1886, el doctor J. G. Poblet inventa el ascensor neum tico. El proyecto de mayor impacto hasta la fecha fue realizado en 1888 en Francia donde el ingeniero austriaco Victor Popp obtuvo permiso para utilizar el sistema de alcantarillado y montar una red de aire COMPRIMIDO en toda la ciudad de Paris. Popp hab a instalado una planta de 1500 kw que suministraba aire COMPRIMIDO a m s de 7 kil metros de tuber as al que se un an otros 50 kil metros de l neas secundarias.

5 La planta suministraba aire a 6 bares. Figura 5. Planta de compresores, sistema neum tico de Par s En 1934, el profesor Lysholm (1893-1973) presenta en Suecia su patente del compresor de tornillo con dos rotores circulares. Figura 6. Compresor de tornillo En la actualidad las aplicaciones de la neum tica son innumerables. A continuaci n se muestran algunas de ellas a modo de ejemplo. Figura 7. Algunas aplicaciones neum ticas Neum tica. La palabra neum tica proviene del griego pneuma que significa respiraci n, viento y desde el punto de vista filos fico significa alma. Se refiere al estudio del aire, como fuente de energ a, aplicado a los sistemas de movimiento y control. Los sistemas de aire COMPRIMIDO se utilizan para controlar el movimiento de actuadores y su aplicaci n se manifiesta en herramientas, v lvulas de control y posicionadores, martillos neum ticos, pistolas para pintar, sistemas de empaquetado, elevadores, herramientas de impacto, prensas neum ticas, robots industriales, vibradores, frenos neum ticos, etc.

6 Las ventajas que presenta el uso de la neum tica son el bajo costo de sus componentes, su facilidad de dise o e implementaci n y el bajo par o la fuerza escasa que puede desarrollar a bajas presiones (6 bar) lo que constituye un factor de seguridad. Otras caracter sticas favorables son el bajo riesgo de explosi n, su conversi n f cil al movimiento giratorio as como al lineal, la posibilidad de transmitir energ a a largas distancias, una construcci n y mantenimiento f ciles y la econom a en las aplicaciones. Las desventajas son la imposibilidad de obtener velocidades estables debido a la compresibilidad del aire, las posibles fugas y en algunos casos los altos costos de la energ a neum tica. Los sistemas neum ticos se complementan con los el ctricos y electr nicos lo que les permite obtener un alto grado de sofisticaci n y flexibilidad.

7 Utilizan v lvulas solenoide, se ales de realimentaci n de interruptores magn ticos, sensores e interruptores el ctricos de final de carrera. El PLC (Programable Logic Controller) les permite programar la l gica de funcionamiento de un cilindro o de un conjunto de cilindros realizando una tarea espec fica. En determinadas aplicaciones, tales como en movimientos de aproximaci n r pido y avance lento, t picos de las fresadoras y rectificadoras, en las sujeci n de piezas utilizadas en los cortes a alta velocidad sobre materiales duros y en la automatizaci n de procesos de producci n, se combinan la neum tica con la hidr ulica en un circuito oleoneum tico, utilizando la parte neum tica para el accionamiento y control y la parte hidr ulica para el actuador (potencia).

8 Comparaci n entre neum tica e hidr ulica. En la tabla 1 se muestran las caracter sticas comparativas entre los sistemas neum ticos e hidr ulicos. Tabla 1. Caracter sticas comparativas entre los sistemas hidr ulicos y neum ticos Neum tica Hidr ulica Fugas S lo p rdida de energ a Contaminaci n Influencia del medio A prueba de explosi n. Insensible a la temperatura Inflamable. Sensible a cambios de temperatura Almacenamiento de energ a F cil Limitado Velocidad de operaci n = / = / Costo de alimentaci n Muy alto Alto Movimiento lineal Simple con cilindros. Fuerzas limitadas. Velocidad dependiente de la carga Simple con cilindros. Fuerzas muy grandes. Bajas velocidades Movimiento giratorio Simple, ineficiente, alta velocidad Simple, par alto, baja velocidad Estabilidad Baja, el aire es compresible Alta, el aceite es incompresible Comparaci n entre neum tica/hidr ulica y el ctrica/electr nica.

9 En la tabla 2 se muestran las caracter sticas comparativas entre los sistemas neum ticos y el ctricos. Tabla 2. Caracter sticas comparativas entre los sistemas neum ticos/hidr ulicos y el ctricos/electr nicos Neum tico/Hidr ulico El ctrico/Electr nico Elementos de trabajo Cilindros Motores Motores el ctricos V lvulas de solenoide Elementos de control V lvulas distribuidoras Direccionales Contactores de potencia, transistores y tiristores Elementos de entrada Interruptores, pulsadores, finales de carrera, sensores Interruptores, pulsadores, finales de carrera, m dulos programadores, sensores ECUACI N B SICA DE EST TICA DE FLUIDOS Variaci n de la presi n en un fluido est tico. Las fuerzas que act an sobre un elemento de un fluido en reposo son las fuerzas superficiales y las fuerzas mismas del cuerpo.

10 La nica fuerza del cuerpo que act a es la gravedad y tomando el eje y positivo hacia arriba, la componente de la fuerza en esa direcci n es = , donde = , entonces = Con la presi n P en su centro (x, y, z) la fuerza ejercida en el lado normal al eje y m s cercano al origen es aproximadamente ( 2) Y la fuerza ejercida en el lado opuesto es ( + 2) Donde /2 es la distancia del centro a una cara normal a y. Sumando las fuerzas que act an sobre el elemento en el eje y se obtiene = Para las direcciones x, z ya que no act a ninguna fuerza de cuerpo, = = El vector de fuerza elemental est dado por = + + = ( + + ) En t rminos de volumen, se puede decir que = , por lo tanto la ecuaci n anterior se reduce a = ( + + ) Esta es la fuerza resultante por unidad de volumen en un punto, la cual debe igualarse a cero para un fluido en reposo.