Circuitos neumáticos
Un circuito neumático es un dispositivo formado por un conjunto de elementos unidos entre sí a través de los cuales puede circular el aire comprimido. La complejidad de los circuitos puede variar enormemente, pero siempre deben disponer de una serie de elementos indispensables:
• Elementos generadores de energía: grupo compresor
• Elementos de distribución
• Elementos de mando y control
• Actuadores neumáticos
• Elementos auxiliares
Elementos generadores de energía: grupo compresor
Es el encargado de aumentar la presión del sistema para que el fluido trasmita la energía necesaria. Está formado por: el compresor (accionado por un motor eléctrico o de combustión interna), el motor auxiliar, el refrigerador, el depósito y la unidad de mantenimiento.
- Compresor. Es el elemento básico del grupo. Su función es aumentar la presión del aire que se aspira de la atmósfera reduciendo el volumen en el que se encuentra. Suele ir provisto de un filtro para eliminar las impurezas. Convierte la energía mecánica de un motor eléctrico o de combustión en energía potencial de aire comprimido. En el proceso de compresión se aumenta la presión del aire a otro valor de presión más adecuado para su almacenaje en los depósito.
- Motor auxiliar. Se encarga de comunicar el movimiento al eje del compresor. Según el tipo de instalación puede ser eléctrico o de combustión.
Refrigerador. La temperatura del aire a la salida del compresor puede llegar a unos 150ºC, pero hay que disminuirla hasta unos 25 ºC, eliminando también parte del agua que contiene (hasta un 80%). - Depósito. Acumula el aire a presión cuando sale del compresor, de esta manera se almacena el aire y se utiliza cuando sea necesario.
Suelen llevar incorporados dispositivos de seguridad, como manómetros, termómetros, válvulas de escape (para liberar la presión, y un purgador para eliminar las partículas de impurezas del aire que se acumulan al condensar el aire por aumento de la P y disminución de la T.
Tipos:
Volumétricos: reducen el volumen por lo que si p*V= cte, entonces al reducir el volumen se aumenta la presión
a) Alternativos: El movimiento alternativo de un émbolo en el interior de un cilindro parecidos a los cilindros de un motor térmico, produce la aspiración del aire atmosférico y su escape hacia el circuito una vez comprimido. Pueden tener uno o más cilindros (compresores alternativos de una o varias etapas). El funcionamiento puede dividirse en tres tiempos distintos:
- El aire entra en el cilindro a través de la válvula de entrada, que permanecerá abierta durante todo el descenso del émbolo (ciclo de admisión). Durante este tiempo, la válvula de salida permanece cerrada.
- Posteriormente, el émbolo subirá comprimiendo el aire (ciclo de compresión). Durante este ciclo ambas válvulas permanecerán cerradas.
- Por último, se abrirá la válvula de salida, enviando el aire comprimido al depósito de aire comprimido.
Los compresores de un cilindro permiten comprimir el aire hasta unos 10 bares de presión. También existen compresores con dos o más cilindros que comprimen el aire en varias etapas alcanzando presiones superiores.
b) Rotativos: De paletas o de tornillo. En ambos casos el movimiento rotativo o bien de las paletas o bien de los tornillos reduce el volumen del aire aumentando su presión. (Ventajas: proporcionan un flujo de aire comprimido más constante que los alternativos).
Dinámicos: Se basan en aumentar la velocidad del aire disminuyendo la sección por donde pasa el aire, la energía cinética del aire se convierte posteriormente en energía de presión (teorema de Bernoulli).
a) De flujo axial: con rotores de paletas en forma de hélice. Un compresor axial consta de un eje con álabes rotativos (rotor) y una carcasa cónica con álabes fijos (estator). Cada conjunto de álabes del rotor está acompañado por los álabes del estator. El gas entra por la tobera de admisión, la cual guía el gas hasta la voluta (zona de descarga). En la entrada de la voluta, el gas se acelera, atravesando los álabes del estator. Los álabes del estator hacen que la velocidad del gas aumente, incrementando así la energía cinética del gas. Los álabes del rotor actúan como difusores, haciendo que la velocidad del gas disminuya, provocando un aumento de la presión. Los álabes del estator orientan el gas hacia el siguiente conjunto de álabes. De esta manera, se va acelerando y decelerando el gas hasta su descarga. La presión aumenta cada vez que el gas circula por los álabes del estator. Finalmente, el gas pasa por la salida de la voluta y por la tobera de descarga, abandonando el compresor.
b) De flujo radial: las paletas se distribuyen de forma radial (como en un molino de viento). El funcionamiento es muy similar a una turbina, sólo que en este caso los álabes en lugar de producir trabajo lo consumen. Dispone de un rotor en el que están acoplados, uno detrás de otro, a modo de batería, varios álabes que van comprimiendo el aire por etapas. Permite obtener presiones y caudales muy elevados de hasta 220.000 m3/h a 300 bares.
Ver video interesante:
Unidad de mantenimiento (conjunto FRL)
La calidad del aire comprimido es esencial para el buen funcionamiento y la duración de las instalaciones neumáticas.
Para ello hay que someterlo a tres operaciones previas para acondicionar el aire antes de introducirlo en el circuito: filtración, regulación y lubricación.
El filtro somete el aire a un proceso de centrifugado, proyectando así las impurezas contra las paredes del filtro que caen por gravedad a una cámara. Posteriormente pasa por un cartucho filtrante completando así su limpieza y además se encarga de eliminar el exceso de humedad.
El regulador asegura una presión estable en el circuito. Va unido a un manómetro que mide la presión del aire antes de introducirlo en el circuito.
El lubricador añade aceite nebulizado al aire comprimido, evitando así la oxidación de los componentes del circuito y asegurando el deslizamiento de las partes móviles.
Elementos de distribución:
Tuberías
Para conducir el aire comprimido se emplean tubos, que pueden ser:
- Rígidas de cobre o acero: se unen mediante soldadura para proporcionar más estanquidad. Se encuentran en las zonas de la instalación que no se modifican.
- Flexibles de nailon, PVC o materiales similares: se emplean en las conexiones de cuadros de mando y de elementos con movimiento.
Se instalan de forma que presenten una cierta inclinación (1.5º) para facilitar que el vapor de agua condensado se deslice y no se almacene en ningún punto. En las instalaciones portátiles pueden ser de plástico o de caucho.
En los esquemas neumáticos se representan mediante líneas continuas que unen los distintos elementos del circuito.
Las conexiones entre tuberías se representan con un punto negro.
Racores
Un racor es un elemento de unión entre componentes de una instalación neumática que asegura la unión sin escapes de aire (estanquidad).
Elementos de mando y control: válvulas
Las válvulas son los elementos encargados de controlar el movimiento (dirige y regula) del fluido (aire) durante el recorrido.
Válvulas distribuidoras
Tienen una serie de orificios o vías que sirven para controlar (interrumpir, dejar pasar, desviar) la entrada y salida del aire comprimido, influyendo en su dirección. Según la conexión entre estas vías, la válvula adquiere distintas posiciones. La posición que tiene la válvula cuando no se actúa sobre ella, recibe el nombre de posición de reposo o equilibrio (siempre es el cuadrado de la derecha).
Para identificarlas según las normas ISO, hay que tener en cuenta el tipo de válvula, el sentido de circulación del aire en su interior, los tipos de conexiones a las tuberías y los modos de mando y retorno.
- El tipo de válvula viene dado por dos cifras. La primera indica el número de orificios o vías para el aire de que dispone y la segunda, el número de posiciones de trabajo. Así una válvula 5/3 dispone de 5 orificios o vías y 3 posiciones de trabajo.
- El sentido de circulación del aire se indica mediante flechas que se insertan en el interior de cada cuadro.
- Las conexiones de los orificios vienen indicadas de forma diferente según se trate de una fuente de aire comprimido o una salida libre.
Cada válvula se activa de una manera; los modos de mando y retorno se representan a izquierda y derecha respectivamente, y se simbolizan de diferente modo según el tipo. Así una válvula 3/2 NC con mando por pulsador y retronó por muelle se representará:
Se trata de una válvula con 3 orificios o vías, y 2 posiciones de trabajo
Tiene mando manual (por pulsador) y retorno por resorte. Normalmente suele estar cerrada (NC), ya que el orificio 1 de entrada del aire comprimido está cerrado en posición inicial o de reposo (cuadro de la derecha).
Accionamiento de las válvulas. Las válvulas necesitan de unos dispositivos para ponerlas en funcionamiento y para pararlas. Se dibujan en los laterales de las válvulas y representan la forma en que se activan
Elementos auxiliares: válvulas de bloqueo
Desempeñan funciones de regulación y control, es decir, bloquean o reducen el paso del aire comprimido en una dirección
Entre las más habituales en un circuito neumático destacan: válvulas antirretorno, de doble efecto o selectoras de circuito y reguladoras de caudal
- Válvula antirretorno o unidireccional. Esta válvula cierra por completo el paso de aire comprimido en uno de los sentidos y lo deja pasar libremente en el otro sentido
- Válvula selectora (función lógica O).
Esta válvula tiene dos orificios de entrada (izquierda y derecha) y uno de utilización (arriba); si a través de uno de los orificios de entrada o por ambos llega aire comprimido, éste pasará al orificio de utilización.
- Válvula de simultaneidad (función lógica Y). Esta válvula tiene dos orificios de entrada (izquierda y derecha) y uno de utilización (arriba); para que el aire comprimido pase al orificio de utilización es necesario que llegue aire comprimido por los dos orificios de entrada simultáneamente.
Válvulas reguladoras de caudal
Estas válvulas permiten controlar la cantidad de caudal que circula por ellas. Según que regulen el caudal en un solo sentido o en ambos tenemos: válvulas reguladoras de caudal bidireccionales y válvulas reguladoras de caudal unidireccionales.
- Válvula reguladora de caudal bidireccional. También llamada estranguladora bidireccional. Esta válvula realiza la regulación de caudal en ambos sentidos de flujo; apretando o aflojando el tornillo conseguimos disminuir o aumentar el caudal hasta el valor que deseemos.
- Válvula reguladora de caudal unidireccional. También llamada estranguladora unidireccional. Esta válvula solo realiza la regulación de caudal en uno de los sentidos; ello se consigue conectando una válvula estranguladora bidireccional en paralelo con una válvula antirretorno.
En la figura el caudal está regulado sólo cuando circula hacia la izquierda, pues entonces el aire es obligado a pasar por la válvula bidireccional; cuando el aire circule hacia la derecha no estará regulado pues circulará por la válvula antirretorno.
Cuando queramos regular la velocidad de un cilindro de simple efecto con esta válvula no tenemos más remedio que regular el flujo de entrada. Pero cuando queramos regular la velocidad de un cilindro de doble efecto, se preferirá regular el flujo de escape del cilindro y no el flujo de entrada, puesto que el desplazamiento del émbolo será así más regular.
Actuadores neumáticos: cilindros.
Constituyen el elemento terminal de un circuito neumático. Tienen como función transformar la energía acumulada en el aire comprimido en energía mecánica mediante un movimiento rectilíneo o de vaivén. Se denominan genéricamente cilindros.
Un cilindro es un tubo de sección circular constante, cerrado por sus extremos, en cuyo interior se desliza un émbolo solidario con un vástago que atraviesa uno de los fondos. El émbolo divide al cilindro en dos volúmenes llamados cámaras. Dispone de aberturas en las cámaras por las que entra y sale aire.
La capacidad de trabajo de los cilindros viene determinada por dos magnitudes: la carrera y el diámetro.
- La carrera (L) es el desplazamiento que efectúa el émbolo en el interior del cilindro. De ella depende la longitud (L) de desplazamiento del vástago.
- El diámetro (D) determina la superficie del émbolo. Dada una determinada presión del aire, cuanto mayor sea la superficie del émbolo, mayor será la fuerza del vástago. 𝐹 = 𝑝 ∙ 𝑆
Los actuadores neumáticos se clasifican en dos grandes grupos: cilindros de simple efecto y cilindros de doble efecto.
- Cilindro de simple efecto.
El desplazamiento del émbolo por acción del aire comprimido tiene lugar solamente en el sentido de la carrera de avance. El retroceso se consigue gracias a la intervención de otra fuerza interna o externa, generalmente por la acción de un muelle de retorno incorporado en el interior del cilindro.
En este caso el cilindro sólo realiza trabajo en el sentido de la carrera de avance.
Para calcular la fuerza efectiva además de la presión del aire y el diámetro del émbolo, hay que considerar la resistencia que opone el resorte y el rendimiento del cilindro.
- Cilindro de doble efecto
El desplazamiento del émbolo se lleva a cabo en los dos sentidos, es decir, en la carrera de avance y en la carrera de retroceso. Esto supone la existencia de orificios de alimentación en cada una de las cámaras.
El cilindro de doble efecto realiza trabajo en los dos sentidos: avance y retroceso.
En la carrera de avance no hay que vencer la resistencia de ningún muelle. Por tanto, la fuerza efectiva (Fea) que puede proporcionar el vástago viene dada por:
En la carrera de retroceso, la fuerza efectiva, (Fef) es menor, ya que hay que considerar la disminución de superficie debida al vástago, con lo que la expresión matemática queda:
Comparación entre los cilindros de simple efecto y de doble efecto.
Los cilindros de doble efecto son los más utilizados a nivel industrial, ya que presentan una serie de ventajas frente a los de simple efecto:
• Pueden desarrollar trabajo en ambos sentidos
• No hay pérdida de esfuerza por compresión del muelle de retorno
• Su régimen de funcionamiento se puede ajustar con mucha precisión
• La carrera, tanto de avance como de retroceso, corresponde a toda la longitud del cilindro.
