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Conceptos Básicos

Conceptos Básicos. NEUMATICA. Contenido. Composición del aire. Presión constante. Presión Atmosférica. Volumen constante. Presión manométrica. Ley General de los gases. Principio de Pascal. Compresion Adiabática. Compresion Politrópica. Unidades de Presión. Humedad Relativa.

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  1. Conceptos Básicos NEUMATICA

  2. Contenido • Composición del aire • Presión constante • Presión Atmosférica • Volumen constante • Presión manométrica • Ley General de los gases • Principio de Pascal • Compresion Adiabática • 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. Presiones típicas Presiones Bajas 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 14 15 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 3 4 3 2 1 2 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 p D2 P Fuerza = Newtons 40 donde D = diámetro del cilindro en mm P = presión en bar

  14. Escalas de Temperatura 120 393 240 220 100 373 200 • OK = OC + 273.15 • OF = 9/5OC + 32 • Fahrenheit y Celsius coinciden a - 40O 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. V1 V2 = = c T1(K) T2(K) 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. V1 V2 = = c T1(K) T2(K) 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. V1 V2 = = c T1(K) T2(K) 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. V1 V2 = = c T1(K) T2(K) 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. V1 V2 = = c T1(K) T2(K) 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. 8 6 10 4 12 14 2 bar 16 0 P1 P2 = = c T1(K) T2(K) 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. P1 P2 = = c T1(K) T2(K) 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. 8 6 10 4 12 14 2 bar 16 0 P1 P2 = = c T1(K) T2(K) 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. P1 P2 = = c T1(K) T2(K) 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. P1 P2 = = c T1(K) T2(K) 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. PV 1. 4 = c adiabatico 16 14 PV 1. 2 = c politropico 12 10 bar a PV = c isotérmico 8 6 4 2 0 Volume 0 2 4 6 8 10 12 14 16 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. -20 -40 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 50%HR 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. -20 -40 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. -20 -40 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. -20 -40 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

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