(Ingeniería
Industrial)
- Factor de
Multiplicación - El flujo de fluido en
tuberías - Tuberías en Aire
Comprimido - Cañerías de
Servicio. - Caída de Presión en
tuberías - Caídas de presión
en válvulas. - Caída de
presión en el circuito de una prensa
hidráulica. - Tanques y
Depósitos. - Filtros
- Bibliografía y Sitios WEB
de interés para Ingenieros
Industriales
En la figura 1-12 vemos un método de
multiplicar la fuerza en un
sistema
hidráulico. Una fuerza de 70Kg. es aplicada sobre el
pistón A. Mediante el calculo que hemos descrito, se
origina una presión
disponible de 7 Kg/cm².
Esta presión actúa sobre la
superficie del pistón B de 20 cm2. produciendo una fuerza
de empuje de 140 Kg.
Es decir que la fuerza aplicada sobre el pistón A
es multiplicada en la misma relación, que la existente
entre las áreas de los dos pistones.
Este principio, de multiplicación de fuerza es
empleado en el freno de los automóviles y en las prensas
hidráulicas.
Refiriéndonos nuevamente a la Fig. 1-12 vemos que
la multiplicación de fuerzas se hace a expensas de
sacrificar la carrera del cilindro B. El pistón A se mueve
una distancia de 10 cm desplazando 100 cm³ (10 x
l0).
Esta cantidad de aceite mueve el pistón B solo 5
cm..
La velocidad de
la carrera se ha sacrificado. El pistón B se mueve 5 cm.
en el mismo tiempo que el
pistón A recorre 10 cm.
En la figura 1-13 vemos una analogía mecánica al sistema hidráulico
descrito. El producto de
las fuerzas por las distancias debe ser igual en ambos sistemas
de acuerdo a las leyes de la
mecánica. En el extremo izquierdo 70 x 0,10 = 0,700 Kgm.,
en el extremo derecho 140 x 0,5 = 0,700 Kgm.
Para ver
el gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
EL FLUJO DE FLUIDO EN
TUBERÍAS
La situación ideal del flujo en una
tubería se establece cuando las capas de fluido se mueven
en forma paralela una a la otra. Esto se denomina "flujo
laminar" figura 1-14. las capas de fluido próximas a
las paredes internas de la tubería se mueven lentamente,
mientras que las cercanas al centro lo hacen rápidamente.
Es necesario dimensionar las tuberías de acuerdo al caudal
que circulará por ellas, una tubería de
diámetro reducido provocará elevadas velocidades de
circulación y como consecuencia perdidas elevadas por
fricción; una tubería de gran diámetro
resultará costosa y difícil de instalar.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Por lo expuesto recomendamos el uso del gráfico
nro. 1 para la elección de los diámetros
adecuados en instalaciones hidráulicas.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
En la figura 1-15 vemos una situación de flujo
turbulento donde las partículas de fluido se mueven en
forma desordenada con respecto a la dirección del flujo. La turbulencia es
causada por el exceso de velocidad de circulación, por
cambios bruscos del diámetro de la tubería, y por
la rugosidad interna de la misma la turbulencia produce excesiva
perdida de presión en los sistemas y sobrecalentamiento
del aceite. A menudo puede ser detectada por el ruido que
produce la circulación por las tuberías. Para
prevenir la turbulencia , las tuberías deben ser de
diámetro adecuado, no tener cambios bruscos de
diámetro u orificios restrictotes de bordes filosos que
produzcan cambios de velocidad.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
En la figura 1-16 vemos una sección de
tubería con flujo laminar , las partículas se
mueven a alta velocidad en el centro pero paralelas una a la
otra. La restricción se ha realizado de manera tal que
presenta una transición lenta de velocidades, de esta
forma se evita la turbulencia.
Las dos figuras 1-17A y 1-18B muestran qué sucede
con la corriente fluida cuando toma una curva de radio amplio se
mantienen las condiciones de flujo laminar, a la derecha el
cambio de
dirección es abrupto induciendo un flujo
turbulento.
Tuberías
en Aire
Comprimido:
Para el transporte del
aire comprimido se reconocen tres tipos de
canalizaciones
Cañería principal.
Cañería secundaria.
Cañerías de servicio.
Para ver el gráfico seleccione la opción
"Descargar"
Se denomina cañería principal a aquella
que saliendo del tanque de la estación compresora conduce
la totalidad del caudal de aire. Debe tener una sección
generosa considerando futuras ampliaciones de la misma. En ella
no debe superarse la velocidad de 8 m/segundo.
Cañerías secundarias son la que tomando el
aire de la principal se ramifican cubriendo áreas de
trabajo y alimentan a las cañerías de servicio tal
como apreciamos en la figura 1-19.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Cañerías de
Servicio.
Estas cañerías o "bajadas" constituyen las
alimentaciones a los equipos y dispositivos y herramientas
neumáticas, en sus extremos se disponen acoplamientos
rápidos y equipos de protección integrados por
filtros, válvula reguladora de presión y lubricador
neumático. Su dimensión debe realizarse de forma
tal que en ellas no se supere la velocidad de 15
m/segundo.
Cañerías de
Interconexión:
El dimensionado de estas tuberías no siempre se
tiene en cuenta y esto ocasiona serios inconvenientes en los
equipos, dispositivos y herramientas neumáticas
alimentados por estas líneas. Teniendo en cuenta que estos
tramos de tubería son cortos podemos dimensionarlos para
velocidades de circulación mayores del orden de los 20
m/seg.
Es importante recordar que la perdida de presión
en tuberías "solo" se produce cuando el fluido esta en
"movimiento" es
decir cuando hay circulación. Cuando esta cesa, caso de la
figura 1-23 las caídas de presión desaparecen y los
tres manómetros darán idéntico valor.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Si al mismo circuito de la figura anterior le retiramos
el tapón del extremo aparecerán perdidas de
presión por circulación que podemos leer en los
manómetros de la Fig.1-24. Cuando mas larga sea la
tubería y mas severas las restricciones mayores
serán las perdidas de presión.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Si quitamos las restricciones una gran proporción
de la perdida de presión desaparece. En un sistema bien
dimensionado, la perdida de presión natural a
través de la tubería y válvulas
será realmente pequeña como lo indican los
manómetros de la Fig.1-25.
Para
ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
Caídas de presión en
válvulas.
Las válvulas presentan perdidas de presión
localizadas, por ello deben ser correctamente dimensionadas. Una
válvula subdimensionada provocará perdidas de
potencia y
velocidad, una sobre dimensionada será
económicamente cara.
Las recomendaciones precisas figuran en los
catálogos de los fabricantes, pero para establecer una
norma general diremos:
Válvulas Hidráulicas: Una velocidad
de 4 m/seg. es considerada estándar para aplicaciones
generales. Por ello el tamaño de la válvula puede
ser el mismo que el diámetro de cañería de
la tabla para líneas de presión.
En condiciones especiales pueden utilizarse
tamaños mayores o menores.
Válvulas Neumáticas.
Una regla similar puede utilizarse aquí. El
tamaño de los orificios de conexión de los
cilindros neumáticos es una guía razonable para el
tamaño de la válvula. Como excepción se
presentan los siguientes casos:
Cuando una válvula comanda varios
cilindros.
Cuando se requieren altas velocidades de
operación en un cilindro.
Cuando el cilindro operara siempre a bajas
velocidades
Pérdida de Presión en un Circuito
Automático.
No todas las caídas de presión son malas.
En la figura siguiente hay un diagrama que
ilustra una técnica importante utilizada en la
automación de circuitos, y
aplicada en neumática e hidráulica. Cuando el
cilindro de la Fig.1-26 llega a su posición de trabajo,
una señal eléctrica es obtenida para poner en
funcionamiento la próxima operación en un ciclo
automático.
Nuestra descripción comienza con plena
presión disponible en la bomba o compresor, pero con la
válvula de control cerrada,
de manera que el cilindro se encuentra retraído El primer
manómetro indica 100 PSI (7Kg/cm2). Las dos restantes
indican 0. El presostato está ajustado a 80
PSI.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Con la válvula abierta, el fluido se dirige al
cilindro. La restricción representa la pérdida de
carga de una tubería.
Cuando el fluido comienza a circular, una perdida de
presión es generada, y esta ilustrada por la lectura de
los sucesivos manómetros. El cilindro se desplaza
libremente, requiriendo solamente 20PSI para moverse ; el
remanente de presión disponible es consumido a lo largo de
la línea. El presostato ajustado a 80 PSI no se conmuta
mientras el cilindro hace su carrera libre.
Cuando el cilindro llega al final de su carrera o a un
tope positivo el movimiento de fluido cesa y en la cámara
del cilindro (y en el presostato) la presión alcanza su
valor máximo 100 PSI. Una señal eléctrica
procedente del presostato comandará la siguiente función de
un ciclo automático.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
CAÍDA DE PRESIÓN EN EL CIRCUITO DE
UNA PRENSA
HIDRÁULICA.
Las figuras 1-28 y 1-29 vemos dos diagramas de
bloques que muestran dos estados de un mismo ciclo de trabajo de
una prensa.
Se pueden efectuar grandes economías, cuando las
necesidades de máxima fuerza a desarrollar por la prensa,
son necesarias únicamente en condiciones estáticas,
o a través de muy cortas carreras.
Las válvulas y tuberías se subdimensionan
a propósito por razones económicas, pero en la
operación de la prensa esto no tiene efectos
perjudiciales. Esto es cierto ya que se basa en el principio ya
visto de que no hay caídas de presión cuando no
existe circulación. He aquí como opera:
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar"
El cilindro recibe fluido hidráulico desde la
bomba y se mueve libremente. La restricción en la
línea representa la resistencia a la
circulación a través de válvulas y
tuberías subdimensionadas. Esta restricción no
reduce el volumen de aceite
procedente de la bomba hidráulica de desplazamiento
positivo, tal como veremos al estudiar estos
elementos.
La restricción en cambio consume una buena
proporción de la presión que es capaz de
desarrollar la bomba, pero esto no tiene importancia por que
solamente una muy pequeña presión es necesaria para
mover el cilindro en su carrera libre.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
En este diagrama el cilindro llega a su posición
de trabajo. Cuando el cilindro se detiene cesa la
circulación de fluido a través de las
válvulas y tubería y la caída de
presión desaparece del sistema. Toda la fuerza de empuje
es obtenida entonces a pesar de lo pequeño de las
válvulas y tuberías. Estas figuras son diagramas en
bloque en la realidad cuando el cilindro se detiene, todo el
caudal de la bomba es descargado a tanque a través de una
válvula de alivio no mostrada en la figura
1-29.
El aire comprimido debe ser filtrado, lubricado, y a
veces deshumidificado antes de su empleo en
cilindros, válvulas, motores y
dispositivos de precisión similar.
Todos los compresores
aspiran aire húmedo y sus filtros de aspiración no
pueden modificar esto ni eliminar totalmente las
partículas salidas del aire atmosférico.
Al aire comprimido conteniendo sólidos, y vapor
de agua, debe
agregársele el aceite de lubricación del compresor,
que atravesando los aros se incorpora a la salda. Si bien una
parte de esta mezcla de agua y aceite de color blancuzco y
características ácidas, se deposita
en el tanque, para luego ser drenada, una buena parte de ella se
incorpora a las líneas de distribución provocando serios daños
en los con ponentes de los circuitos.
La unidad de la figura 2-1 denominada "Equipo de
Protección'' esta constituida por un filtro, regulador con
manómetro y lubricador.
El conjunto esta montado de tal forma que el filtro
protege los elementos siguientes, siendo el último
elemento el lubricador de forma tal que la niebla de aceite que
el produce no se precipite en el regulador. Cuando se instala un
equipo de protección debe cuidarse la dirección de
circulación del aire ya que en forma inversa el conjunto
no funciona correctamente.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar"
El filtro llamado ciclónico tiene dos acciones: El
aire al entrar pasa a través de bafles que le confiere una
circulación rotativa, de esta forma las grandes
partículas sólidas y el líquido se deposita
en las paredes del vaso por la acción
centrífuga. Luego el aire atraviesa el elemento filtrante,
de malla metálica, papel, o metal
sinterizado. Este filtro de 20 o 40 micrones retiene las
partículas sólidas. (Fig. 2-1 b).
Esta acción de filtrado se denomina
"mecánica" ya que, afecta únicamente a la
contaminación mecánica del aire, y no por
ejemplo a su contenido de humedad.
El Regulador o Válvula reductora y reguladora de
presión es una necesidad de todo circuito
neumático, para establecer una presión segura para
ciertos componentes o para fijar un valor exacto de empuje de un
cilindro. En todo circuito es deseable el regulador para mantener
constante la presión de trabajo independientemente de las
variaciones que experimente la línea de alimentación.
El regulador tiene su válvula de asiento abierta
por la acción de un resorte que fue comprimido por el
tornillo ajustable, en este estado hay
circulación desde la entrada hacia la salida, cuando la
presión en la salida se va acercando al nivel establecido
por la posición del tornillo, el aire a través del
orificio piloto actúa sobre el diafragma comprimiendo el
resorte y cerrando el pasaje previniendo un incremento de la
presión de salida. En la practica el regulador se
autoajusta rápidamente para balancear las condiciones
establecidas creando una pérdida de carga en la
válvula de asiento que mantiene la presión de
salida constante
La reguladora con "alivio" contiene una válvula
de retención ubicada en el apoyo del vástago, de
forma tal que cuando el operador ajusta el tornillo para valores de
presión más bajos, permite que el aire pase a la
atmósfera
hasta alcanzarse en la salida el valor deseado.
El regulador tiene un sentido de circulación y
por ello debe ser instalado respetando el mismo. Fig.
2-3
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
El lubricador es un elemento muy importante ya que los
cilindros y válvulas requieren ser lubricados para su
correcto funcionamiento y larga vida útil.
En la figura, el flujo de aire a través de una
ligera restricción llamada '' Venturi '', provoca una
pequeña caída de presión usualmente 1PS1
entre la entrada y la salida.
Esta pequeña presión es suficiente, para
que aplicada sobre la superficie del aceite contenido en el vaso,
provoque el ascenso del mismo hasta el cuello del tubo. El flujo
de aire pulveriza en ese punto el aceite.
Ajustando la altura del tubo en la corriente de aire, se
aumenta la superficie expuesta y se incrementa la
alimentación de aceite, Cuando cesa el flujo de aire la
calda de presión a través del Venturi desaparece el
aceite y asciende por el tubo.
Los lubricadores no deben ser instalados a mas de 3
metros del equipo al cual deben lubricar.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
En la figura 2-4 vemos un lubricador de gota, el aire a
través del Venturi crea una presión diferencial que
actúa sobre la superficie del aceite empujando el mismo
hacia la válvula de aguja. El rango de goteo puede
ajustarse con la aguja y observarse en la mirilla. La corriente
de aire atomiza el aceite y lo conduce a la línea. Cuando
el flujo cesa, la diferencial de presión desaparece de la
superficie del aceite y cesa la subida.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
En la figura 2-5, vemos un conjunto de protección
o equipo combinado en corte donde podemos apreciar la
circulación a través de sus componentes.
La mayoría de los sistemas hidráulicos de
tamaño pequeño a mediano utilizan los tanques o
depósitos como base de montaje para la bomba, motor
eléctrico, válvula de alivio, y a menudo otras
válvulas de control. Este conjunto se llama. "Unidad de
bombeo", "Unidad Generada de Presión"
etc.
La tapa del tanque puede ser removida para permitir la
limpieza e inspección. Cuando esta no es la lateral y
constituye la parte superior del tanque lleva soldadas cuplas
para recibir la conexión de tuberías de retorno y
drenaje. Se colocan guarniciones alrededor de las tuberías
que pasan a través de la tapa para eliminar la entrada de
aire.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
El tanque se completa con un indicador de nivel, un
filtro de respiración que impide la entrada de aire
sucio.
La posición de los bafles dentro del tanque
es muy importante (ver fig.2-7). En primer lugar establecer la
separación entre la línea de succión y la
descarga de retorno.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
En segundo lugar la capacidad de radiación
de temperatura
del tanque puede ser incrementada si el bafle se coloca de forma
tal que el aceite circule en contacto con las paredes externas
como lo muestra la figura
2-7.
Para sistemas corrientes el tamaño del tanque
debe ser tal que el aceite permanezca en su interior de uno a
tres minutos antes de recircular. Esto quiere decir que sí
el caudal de la bomba es de 60 litros por minuto, el tanque debe
tener una capacidad de 60 a 180 litros. En muchas instalaciones,
la disponibilidad de espacio físico no permite el empleo
de tanques de gran capacidad, especialmente en equipos
móviles. Las transmisiones hidrostáticas en lazo
cerrado, constituyen una excepción a la regla,
ordinariamente emplean tanques relativamente
pequeños.
Tener un tanque muy grande a veces puede ser una
desventaja en sistemas que deben arrancar a menudo u operar en
condiciones de bajas temperaturas.
Accesorios para tanques.
En la Fig.2-8 vemos un nivel visible para tanques, este
elemento construido en plástico
permite que el operador no solo verifique el nivel sino
también la condición de emulsión del
aceite.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Tapa de llenado : el orificio de
llenado debe ser cubierto por una tapa preferentemente retenida
por una cadena. En la figura 2-9 ilustramos un tipo que usa una
coladera para filtrar el aceite que se verterá hacia el
tanque.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Los depósitos hidráulicos están
venteados a la atmósfera. Por ello la conexión de
venteo debe estar protegida por un filtro.
Cuando los sistemas operan en una atmósfera
limpia puede emplearse un filtro de respiración de bajo
costo como el de
la figura 2-10. Pero si se opera en atmósferas muy
contaminadas deben emplearse filtros de alta calidad capaces
de retener partículas mayores de 10 micrones.
Para
ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
FILTROS
Coladera de Succión: La mayoría de las
bombas utilizan
para su protección un filtro destinado a retener
partículas sólidas en la aspiración La
practica usual cuando se emplean aceites minerales
estándar, es utilizar coladeras de malla metálica
capaces de retener partículas mayores de 150 micrones.
Cuando se emplean fluidos ignífugos que tienen un peso
especifico superior al aceite, es preferible emplear coladeras de
malla 60 capaces de retener partículas mayores de 200
micrones, para evitar la cavitación de la
bomba.
Con la introducción de bombas y válvulas
con alto grado de precisión, operación a presiones
elevadas y altas eficiencias, el empleo de la coladera de
aspiración no es protección suficiente para el
sistema, si se quiere obtener una larga vida del
mismo.
El propósito de la filtración no es solo
prolongar la vida útil de los componentes
hidráulicos, si no también evitar paradas
producidas por la acumulación de impurezas en las
estrechas holguras y orificios de las modernas válvulas y
servoválvulas .
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
La figura 2-11 no muestra un filtro micronico que puede
ser empleado en el retorno o el envío, el elemento
filtrante de papel impregnado en fibra de vidrio, metal
sinterizado, u otros materiales
puede ser removido desenroscando el recipiente. Cuando la calda
de presión a través del elemento se incrementa,
para evitar el colapso del mismo una válvula de
retención se abre dando paso libre al aceite.
Filtro en Línea.
Una configuración popular y económica es
el filtro en línea de la figura 2-12 que también
lleva incluida una válvula de retención, su
desventaja consiste en que hay que desmontar la tubería
para su mantenimiento.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Algunos circuitos de filtrado.
Los circuitos que veremos a continuación utilizan
filtros micrónicos de 10 micrones.
En la línea de presión.
La figura 2-13 vemos un filtro instalado a la salida de
la bomba y delante de la válvula reguladora de
presión y alivio. Estos filtros deben poseer una estructura que
permite resistir la máxima presión del sistema. Por
seguridad deben
poseer una válvula de retención interna. La
máxima perdida de carga recomendada con el elemento limpio
es de 5 PSI.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
En el retorno por alivio. (ver Fig.
2-15)
En este punto Fig.2-14 puede emplearse un filtro de baja
presión. Es una disposición Ideal cuando trabajan
válvulas de control de flujo en serie y el caudal de
exceso se dirige vía la válvula de alivio
permanentemente a tanque. La máxima perdida de carga
recomendada es de 2 PSI con el elemento limpio.
En la línea de retorno.
El aceite que retorna del sistema puede pasar a
través de un filtro cuando se dirige a tanque.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
CUIDADO: Cuando seleccione el tamaño de un filtro
así , recuerde que el caudal de retorno puede ser mucho
mayor que el de la bomba, debido a la diferencia de secciones de
ambos lados de los cilindros.
Para
ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
Bibliografía y Sitios WEB de interés
para Ingenieros Industriales
DEL RAZO, Hernández Adolfo, "Sistemas
Neumáticos e Hidráulicos: Apuntes de
Teoría" Editorial: U.P.I.I.C.S.A, México
D.F., 2001.
DEPPERT W. / K. Stoll. "Aplicaciones de
Neumática" Ed. Marcombo. España,
Barcelona. P.p. 54-56, 87, 104 – 105, 124 – 129
DEPPERT W. / K. Stoll.
"Dispositivo Neumáticos" Ed. Marcombo Boixareu.
España, Barcelona. Pag: 8
Gordon J. Van Wylen – Richard E.
Sonntag. "Fundamentos de Termodinámica" Editorial:
Limusa, México, D. F. P:39-41, 125-126, 200-201, 342-343,
345-346.
GUILLÉN SALVADOR, Antonio.
"Introducción a la
Neumática" Editorial:
Marcombo, Boixerau editores, Barcelona-México 1988, p: 31
– 40
RESNICK, Roberto; HALLIDAY; WALKER.
"Fundamentos de
Física" Sexta
Edición, Editorial: Compañía Editorial
Continental, México D.F., 2001, p: A-7
http://www.sapiens.itgo.com/neumatica/neumatica19.htm
Problemas de Física de Resnick,
Halliday
http://www.monografias.com/trabajos12/resni/resni
¿Qué es la Filosofía?
http://www.monografias.com/trabajos12/quefilo/quefilo
Ingeniería de métodos
/trabajos12/ingdemet/ingdemet
Ingeniería de Medición
/trabajos12/medtrab/medtrab
Control de Calidad
/trabajos11/primdep/primdep
Investigación de mercados
/trabajos11/invmerc/invmerc
Análisis Sistemático de la Producción 1
/trabajos12/andeprod/andeprod
Aplicaciones del tiempo estándar en la
Tutsi
/trabajos12/ingdemeti/ingdemeti
Átomo
/trabajos12/atomo/atomo
Gráficos de Control de Shewhart
/trabajos12/concalgra/concalgra
Distribución de Planta
/trabajos12/distpla/distpla
UPIICSA
/trabajos12/hlaunid/hlaunid
Mecánica Clásica – Movimiento
unidimensional
/trabajos12/moviunid/moviunid
Glaxosmithkline – Aplicación de los resultados
del TE
/trabajos12/immuestr/immuestr
Exámenes de Álgebra
Lineal
/trabajos12/exal/exal
Curso de Fisicoquímica
/trabajos12/fisico/fisico
Prácticas de Laboratorio de
Electricidad
de Ingeniería
/trabajos12/label/label
Prácticas del laboratorio de química de la
Universidad
/trabajos12/prala/prala
Trabajo Enviado y Elaborado por:
Iván Escalona Moreno