Apuntes de Circuitos de Fluidos PDF

CIRCUITOS DE FLUIDOS LEYES DE HIDRÁULICA Y NEUMÁTICA 1 MAGNITUDES FÍSICAS DE HIRÁULICA Y NEUMÁTICA MAGNITUDES: Son todas aquellas características que se pueden medir, que comparamos con una cantidad, que se llama unidad. DENSIDAD: Es la masa que tiene un cuerp...

CIRCUITOS DE FLUIDOS LEYES DE HIDRÁULICA Y NEUMÁTICA 1 MAGNITUDES FÍSICAS DE HIRÁULICA Y NEUMÁTICA MAGNITUDES: Son todas aquellas características que se pueden medir, que comparamos con una cantidad, que se llama unidad. DENSIDAD: Es la masa que tiene un cuerpo por unidad de volumen. VISCOSIDAD: Es una propiedad de los fluidos, y es la resistencia que ofrece las moléculas del fluido al deslizarse unas sobre otras. Cuanto mayor es la viscosidad del fluido, mayor es la resistencia que presenta al fluir. Se mide con un viscosímetro. El más utilizado por los fabricantes de aceite europeos, es el viscosímetro Engler. Consiste en un recipiente de 200cc donde se introduce el aceite a ensayar, se calienta hasta la temperatura correcta y se deja escurrir el aceite a través de una abertura calibrada. El resultado se expresa en grados Engler. 2 Los aceites se designan con las siglas SAE (sociedad de ingenieros automovilistas, society of automotive engineers) que es el índice de clasificación de la viscosidad, va seguida de un número: 10, 20, 30, 40, 50, 60, etc. A medida que el número es mayor el aceite es más viscoso. EJEMPLO: 15W 40 La W significa Winter (invierno en inglés), el número 15W se refiere a la facilidad con la que el aceite puede ser bombeado en bajas temperaturas, mientras más bajo sea el nº W mejores serán sus propiedades en temperaturas bajas. Un aceite 5W 40 es mejor que un 15W 40 en arranques en climas muy fríos. El 40 sería el SAE. PRESIÓN: Es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza sobre una línea. La fórmula para calcularla es: P= F/S. La presión se mide en una unidad denominada pascal (Pa), que es equivalente a una fuerza total de un newton (N) actuando uniformemente en un metro cuadrado (m2). También se puede medir en PSI (sistema anglosajón) y es de una libra actuando sobre una pulgada cuadrada. Equivalencia de unidades de medida de la presión: 1 bar = 100000 pascales 1 bar = 1Kg/cm2 = 1 atmósfera técnica 3 PROPIEDADES DE LA PRESIÓN EN LOS FLUIDOS: 1. La presión en todos los puntos de un mismo plano horizontal es la misma. 2. En un fluido en reposo, la fuerza debida a la presión es perpendicular a la superficie de contacto y hacia fuera. 3. Los fluidos solo trabajan a compresión. PRESIONES ABSOLUTAS Y RELATIVAS: La presión absoluta o barométrica, se mide con relación al vacío. La presión relativa o manométrica, se mide con relación a la presión atmosférica local. En hidráulica y neumática se mide siempre en valores de presión relativa, es decir, presiones por encima de la admosférica del lugar en que se efectúa la medición. La depresión (presión relativa negativa), es el valor que está por debajo de la presión atmosférica y entre el Cero absoluto. 4 CAUDAL: Es la cantidad de fluido que pasa por la sección de un conducto en la unidad de tiempo. Esta cantidad puede ser expresada en masa o en volumen. 1. El caudal másico Cm, en Kg/s. 2. El caudal volumétrico Cv, en m3/s, en L/min, o m3/h. POTENCIA: Es la magnitud física que mide la rapidez y cantidad de trabajo que se realiza por unidad de tiempo. Para calcular la potencia que transmite un fluido, aplicaremos la siguiente formula P=F por v. su unidad de medida es el Vatio (W). LEYES FUNDAMENTALES DE HIDRÁULICA Y NEUMÁTICA Todos los circuitos hidráulicos como los neumáticos están regidos por las siguientes leyes: 1. Ley fundamental de los gases (ley de Boyle-Mariotte). A temperatura constante, se considera que el producto de la presión a que está sometido un gas por el volumen que ocupa se mantiene constante. Las tres magnitudes que determinan las condiciones que se encuentra un gas son: la presión, el volumen y la temperatura. Cuando varía una de las magnitudes, dos o las tres a la vez, el gas sufre una transformación. Las transformaciones que sufre un gas cuando se varía la presión y el volumen, manteniéndose constante la temperatura, se rige por dicha ley. 2. Principio de continuidad. En un tubo cerrado, el caudal de fluido que circula por él es el mismo en cualquier punto o tramo de su recorrido, aunque estos sean de distintos diámetros. 5 3. Principio de Pascal. La presión ejercida en un punto de un líquido se transmite íntegramente a todos sus puntos y en todas sus direcciones. 4. Principio de conservación de la energía. Afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema físico aislado permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra energía. NOTA: La energía no se crea ni se destruye solo se transforma. DIMENSIONADO PARA CONDUCTOS DE FLUIDOS Se tendrá en cuenta: 1. Velocidad de circulación. Para que el fluido circule por las tuberías es necesario que lleve una velocidad y una presión que compense los rozamientos que se producen cuando el fluido se traslada por ella, y al mismo tiempo, mantenga la velocidad de circulación. Los caudales y velocidades del aceite por ejemplo vienen dadas en una tabla (pag.95 del libro). Los diámetros para hidráulica están normalizados y son los mismos que para neumática. 6  2. Pérdidas de carga. Las pérdidas de presión ocurren en los fluidos internos como resultado de la fricción al circular por las tuberías, codos, reducciones, etc. a estas pérdidas de presión se les conoce como: pérdida de carga, pérdida de presión o caída de presión. Dentro del apartado se distinguen tres tipos de pérdida de carga: a. Pérdida de carga mayores. Se calcula en tubos y nos ayudamos de tablas. b. Pérdida de carga menores. Se calcula sobre pequeños codos y elementos de la instalación, también se utilizan tablas de referencia. c. Pérdida de carga total. Es la suma de todas las pérdidas de carga distribuidas y localizadas en el circuito, es decir, las pérdidas existentes en los tramos de tuberías, en las uniones, las ramificaciones, los cambios de sección, etc.. ELEMENTOS DE NEUMÁTICA La neumática es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. Se utiliza en aplicaciones industriales por sus excelentes cualidades que son: 1. El aire atmosférico, elemento abundante en la naturaleza. 2. Es transportable fácilmente incluso largas distancias sin retornos. 3. Es compresible, lo que facilita almacenaje y transporte en depósitos. 4. No existe riesgos de explosión ni incendios en ambientes peligrosos. 5. No hay problemas con las fugas, debido a la limpieza del aire. 6. Manejo fácil de sus elementos sin peligros. 7 También tiene inconvenientes: 1. El aire comprimido debe ser tratado antes de usarlo, eliminando impurezas y humedades. 2. La compresibilidad del aire impide obtener velocidades regulares y constantes en los elementos de trabajo. 3. Cuando el aire ha realizado el trabajo, se expulsa al exterior causando ruidos. GRUPO COMPRESOR El grupo compresor está diseñado para ofrecer caudal de aire limpio y seco a una presión preestablecida. Su misión es suministrar caudal suficiente para asegurar un funcionamiento correcto de las maquinarias y mecanismos. Las presiones ideales oscilan entre 4 y 8 bares, lo habitual es 6 bares de presión. ESQUEMA: FUNCIONAMIENTO: 8 El aire a presión generado por el compresor previamente filtrado, se acumula en el interior del depósito o calderin, éste será el que suministre el aire a todo el circuito. El aire saldrá del depósito y pasará por los elementos de protección del circuito (decantador) y de ahí a través de las tuberías a la válvula de control, que será la responsable de accionar el elemento de trabajo final. Todos los circuitos disponen de un sistema de regulación que puede actuar sobre el compresor, sobre el motor de arrastre o sobre el circuito, desconectándolos o conectándolos en función de las necesidades del circuito o sistema neumático. COMPONENTES: Compresor: Es el encargado de aspirar el aire de la atmosfera y comprimirlo a una presión más elevada, son accionado por motores eléctricos o de combustible a través de correa o engranajes dependiendo de su ubicación y trabajo. Tipos de compresores: 1) Compresor de pistones. (C. de émbolos) 2) Compresor de diafragma o membrana. 3) Compresor de paletas. (C. rotativos) 4) Compresor de tornillos. 5) Compresor root 6) Turbo compresores radiales y axiales. (Turbocompresor) Dibujos pág. 111 DEPÓSITO O ACUMULADOR DE AIRE Suelen ser de acero o aluminio, se encuentra posterior al compresor y su misión es la de almacenar el aire comprimido y suministrarlo al circuito. Suelen estar provistos de diferentes accesorios como termómetro y manómetro de presión ( se controla la temperatura y presión interna del depósito), válvula de cierre (controla en caso de avería del circuito la pérdida aislando el depósito del circuito), purgador (se utiliza para vaciar 9 el agua estancada del interior del depósito) y válvula limitadora de presión (se encarga de mantener la presión en el interior del depósito abriéndose en caso de sobrepresión y evitando que explote). ELEMENTOS DE PROTECCIÓN La unidad de mantenimiento tiene como misión, acondicionar el aire antes de la conexión a una máquina o circuito, se debe instalar en cada toma de servicio de la red. La unidad de mantenimiento consta de tres elementos que se conectan uno a continuación del otro. Consta de: un filtro, un regulador de presión y un engrasador. Regul. Pres. Entrada aire Salida a circuito Filtro Engrasador FILTRO SEPARADOR DE AGUA: Sirve para limpiar posibles impurezas que aún puede llevar el aire comprimido, reteniendo también el agua y depositándola en el fondo. NOTA: Se debe realizar periódicamente limpieza o sustitución del filtro y agua para garantizar el perfecto funcionamiento del sistema. 10 REGULADOR O REDUCTOR DE PRESIÓN: Se monta a continuación del filtro, su misión es mantener la presión constante en toda la red o circuito, pudiéndola ajustar según necesidades, el valor ajustado se puede leer en un manómetro. ENGRASADOR: Elemento encargado de suministrar pequeñas dosis de aceite para lubricar las distintas piezas móviles del circuito neumático, para ello utilizará el mismo aire comprimido como vehículo portador, su funcionamiento se basa en el efecto venturi. ELEMENTOS DE CONTROL O REGULACIÓN Son elementos que se emplean en los circuitos hidráulicos o neumáticos para controlar las presiones, los caudales y las direcciones que debe tomar el fluido en cada fase. 1) Válvulas distribuidoras: dirigen el camino que ha de seguir el fluido dependiendo de su posición hacia los elementos receptores. 11  2) Válvulas de caudal: sirven para regular, reducir o impedir el paso del fluido en los dos sentidos o en uno solo. 3) Válvulas de presión: Su misión consiste en mantener la presión entre los límites preestablecidos. VÁLVULAS V. distribuidora V. caudal V. presión v. de asiento v. de cierre v. limitadora v. de corredera v. antirretorno v. de secuencia v. estranguladoras v. reductoras v. purga rápida acc.manual v. selectora de retención acc.mecánico v. de simultaneidad acc.neumático acc.eléctrico ELEMENTOS DE TRANSPORTES Es el conjunto formado por todos los elementos que contribuyen en la red de distribución, por donde circulará el aire a presión o fluidos si se trata de un circuito hidráulico, sus componentes son: Tuberías, mangueras, elementos de conexión, enchufes rápidos, etc….. ELEMENTOS RECEPTORES O TRABAJO Se encuentran en la parte final del circuito y son todos aquellos que, recogido el fluido a una presión determinada y con el caudal preciso, realizan el trabajo mecánico deseado. Existen múltiples variedades de tipos, cilíndricos o motores. Cilindros: cilindros de simple o doble efecto. 12 Cilindros especiales: de membrana, tándem, multiposicional, de impacto, etc… Motores: motor radial, de paletas, trivella, dúmper,etc…. SISTEMA HIDRÁULICO La hidráulica es la tecnología que emplea un líquido, bien agua o aceite (normalmente aceites especiales), como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. Comparación entre sistema hidráulico y neumático 1) Al funcionar con aceite, permite mucha más presión, por lo tanto más fuerza. 2) Es más fácil de regular la velocidad de avance o retroceso de los cilindros, incluso se puede llegar a parar. 3) El sistema hidráulico es un circuito cerrado. 4) Larga duración de los elementos (debido a la autolubricación). 5) Transmite grandes fuerzas en espacios reducidos. 6) Es posible almacenar la energía. Desventajas del sistema hidráulico 1) Son más sucios que los neumáticos. 2) El aceite es inflamable y explosivo. 3) Los elementos del circuito son más costosos. 4) El aceite es más sensible a los cambios de temperatura que el aire. 5) El aceite es residuo cada vez que se cambia. 13  COMPONENTES GRUPO BOMBA O TOMA DE FUERZA Está formado por un conjunto compacto de elementos capaces de proporcionar el caudal y la presión necesaria para mover los distintos actuadores del sistema. Está formado por: 1) Depósito. 2) Bomba. 3) Motor de arrastre. 4) Filtros. 5) Manómetros. 6) Válvulas precisas. 1.Respiradero. 2.Conducto de retorno. 3.Visor de nivel. 4.Tapón de llenado. 5.Conducto de aspiración. 6.Tapón de vaciado. DEPÓSITO: Suelen estar fabricados en chapa de acero y sirve para almacenar el fluido requerido, dispone de un espacio para que el aire se separe del fluido, permite que los contaminantes se sedimenten y se disipe el calor generado en el circuito, evita que se produzca vacío a través del respiradero. NOTA: Es importante que no haya aire en los circuitos hidráulicos. BOMBA: La bomba se encarga de aportar el caudal necesario a todo el sistema. Pueden ser de caudal fijo o variable en función de la cantidad de fluido que bombeen. 14 B. caudal fijo: Su caudal es independiente a la presión de salida, es imprescindible colocar una válvula que limite la presión del aceite para evitar roturas en el circuito. B. caudal variable: Tienen la propiedad de variar el caudal emitido sin disminuir la velocidad de giro. TIPOS DE BOMBA: 1) Bombas de engranajes. Son las más difundidas, sencillas y económicas, existen dos tipos dentado exterior o dentado interior. 2) Bombas de paletas. Trabajan como los compresores de paletas. 3) Bombas de pistones. Este tipo destaca por la capacidad para proporcionar altas presiones, existen dos tipos, pistones axiales y radiales. 4) Bombas de helicoidales. 15  Tabla de bombas hidráulicas pag.130 ACUMULADOR: El acumulador hidráulico tiene la misión de absorber un determinado volumen de fluido y devolverlo al circuito en el momento que lo precise. Existen varios tipos: 1) Acumulador de peso. 2) A. de resorte. 3) A. de pistón. 4) A. de vejiga. 5) A. de membrana. Las funciones que un acumulador hidráulico realiza en un circuito pueden ser: 16  ESTRUCTURA DE CIRCUITOS HIDRÁULICOS Y NEUMÁTICOS BÁSICOS En los mecanismos neumáticos o hidráulico se distinguen el circuito de mando o el circuito de trabajo o potencia. En el de mando se procesa la información y en el de trabajo se transforma la energía. Se distinguen los siguientes elementos: 1) E. de producción y distribución del fluido. 2) E. de mando. 3) E. de entrada de señal. 4) E. de tratamiento de señal. 5) E. de gobierno. 6) E. de trabajo. 7) Sistema a accionar. 17 EXPLICACIÓN DEL CUADRO Y EJEMPLOS 18 19