NEUMÁTICA Y EL AIRE COMPRIMIDO

El uso de aire comprimido, como medio para trasmitir potencia se ha usado por muchos años, aunque recientemente ha tenido aplicaciones complejas. Con el advenimiento de válvulas muy pequeñas, el aire se ha convertido en el sistema nervioso y muscular de complicados equipos automáticos. ¿Qué es el aire? El aire puede definirse como un gas incoloro, inodoro e insípido, compuesto químicamente de nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono y vapor de agua. El aire se mezcla muy fácilmente con otros fluidos ya que sus moléculas se encuentran muy separadas y en movimiento continuo viajando siempre en líneas rectas. Al nivel del mar el aire se encuentra a una presión de 101325 Pa.

Leyes Básicas.

Hay varias leyes básicas que rigen el comportamiento del aire y que son importantes en el diseño de sistemas neumáticos, tales como: 1.1.1.1. 

Ley de Boyle. 

Esta ley define la relación entre el volumen y la presión y enuncia que si la temperatura es constante, la masa de un volumen dado de gas, varía inversamente a su presión absoluta. Se expresa:

Ley de Charles. 

Esta ley se refiere al comportamiento de los gases cuando cambia la temperatura, enunciando que cuando no hay cambio en el volumen, la presión de un gas varía directamente con la temperatura absoluta.

Ley de Pascal. 

Esta ley enuncia que la presión de un gas contenido en un recipiente se trasmite en todas las direcciones sin disminución y actúa en ángulo recto con las superficies del recipiente.

Flujo de Aire.

El aire fluye únicamente cuando existe una diferencia de presión y va de la mayor presión hacia la menor presión. La velocidad del flujo depende de la presión inicial, la diferencia de presión existente, tamaño, forma y suavidad del orificio. La forma y suavidad del orificio son importantes debido a que P1V1 = P2V2 Ecuación 1.1 una tubería recta o de curvas suaves, ayuda al flujo; también la suavidad de las paredes interiores disminuye la fricción ya que las paredes interiores rugosas disminuyen la velocidad de las capas adyacentes de aire reduciendo el área efectiva de la tubería.

Participación de la Neumática en la Automatización

Automatización.

El hombre pone la máquina a su servicio con el objeto de lograr que lo producido por esta sea de la mejor calidad, aumentando la producción, disminuyendo la fatiga y los riesgos de accidentes. El siempre interviene para dar una orden de puesta en marcha y según sea el grado de su intervención, se obtiene un mayor o menor nivel de automatismo. 

En la primera escala se puede colocar un operador que actúa directamente sobre un pulsador ó válvula que a su vez acciona un cilindro neumático para lograr un desplazamiento con una determinada fuerza. En este caso toda la responsabilidad de la decisión recae sobre el operador. 

Ascendiendo en la escala, si se intercala algún recurso tecnológico entre el operador y el elemento receptor de su decisión, disminuye su responsabilidad y se garantiza su integridad bajo determinadas condiciones. La máquina se encarga del proceso manual.

Subiendo un escalón más y agregando al caso anterior de seguridad un cierto grado de automatismo se logra que el operario dé solamente una señal de arranque manual continuando así el proceso hasta cumplir un ciclo prefijado; limitando su intervención, dándole mayores garantías y fijando una secuencia lógica del proceso. Esta fase, es la automatización parcial, generalmente una máquina realiza varios pasos en la mecanización de una pieza que se repite constantemente. 

En la última fase ó peldaño, el autómata se encarga de todo el proceso de mecanización, es decir que con un conjunto de Recursos Tecnológicos íntegramente automatizado, se puede anular totalmente la intervención humana durante la ejecución de un proceso. 

Desde el punto de vista técnico podemos definir la automatización como el conjunto de Recursos Tecnológicos tendientes a lograr que una serie de funciones, operaciones o actos que se realicen en una determinada secuencia sin la intervención humana. Hoy en día, se busca automatizar en todos los casos en los que tienen que realizarse trabajos de rutina que para el hombre son aburridos, pesados, molestos ó nocivos para su salud. Esto es válido principalmente para los procesos técnicos de producción, pero también lo es para otros sectores, por ejemplo, la técnica para la ordenación del tráfico. De acuerdo con su funcionamiento puede distinguirse, de forma general, entre cuatro clases de procesos:

• Procesos de transformación. 
• Procesos de fabricación. 
• Procesos de distribución. 
• Procesos de medición y de verificación

Neumática y Automatización. 

Para operar el conjunto de recursos tecnológicos que origine una automatización, es necesaria la energía. Entre las varias formas energéticas, está la neumática. Si bien, la utilización del aire comprimido como fuente energética es relativamente cara, podría llegarse a suponer que los costos de producción, acumulación y distribución involucran gastos elevados. Esto no es exacto, pues en el cálculo de rentabilidad de una instalación, no sólo debe tenerse en cuenta el costo energético y los gastos de instalación, sino también los ahorros de mano de obra, los gastos de mantenimiento y el aumento de la producción logrado, resultando finalmente que el costo energético resulta despreciable y las inversiones de instalación fácilmente amortizable. La gran difusión en el proceso de automatización neumática principalmente se basa en el aire comprimido, cuyos aspectos sobresalientes son:

• Obtención: Puede generarse sin limitaciones ya que la materia prima no tiene costo ni límite. 
• Distribución: Fácil transporte y no es necesaria su recuperación. 
• Acumulación: Puede almacenarse mediante el empleo de depósitos acumuladores. 
• Flexible a la temperatura: Admite variaciones de temperatura considerable. 
• Antiexplosiva: Permite ser utilizada en ambientes calificados como inflamables o explosivos. 
• Ambiente: No afecta el medio ambiente, caso industria alimenticia, industria con polvos, etc. 
• Componentes: Los componentes de utilización son de costo moderado y de fácil aplicación. 
• Utilización: Admite altas velocidades de trabajo, regulación de fuerzas sin escalonamientos y sin perjuicios por bloqueos ó detenciones forzosas por sobrecarga.

Algunas de las limitaciones que en muchos casos definen su campo de aplicación, son: 

• Compresibilidad: Esta característica impide obtener velocidades constantes frente a resistencias variables. 
• Fuerzas: Limitaciones prácticas de aproximadamente 35.000 Newton (3.500 Kg) en forma directa.

Aire Comprimido. 

En los sistemas de aire comprimido (ver figura 1.1) el aire aspirado por el compresor entra a la presión y temperatura ambiente con su correspondiente humedad relativa. Entonces se le comprime a una presión más alta que la atmosférica. Este ciclo de compresión lleva consigo una elevación de temperatura y en consecuencia, un calentamiento del aire hasta un grado tal que toda la humedad contenida en el aire pasará por el compresor al ser aspirado. Este aire comprimido caliente que descarga el compresor y que lleva vapor de agua, al enfriarse por radiación y convección en el depósito y tuberías de distribución y por lo tanto descender su temperatura hasta igualar la temperatura ambiente (pero a mayor presión), condensaría gran parte del vapor en forma de gotas de agua, las que serían arrastradas por el flujo de aire a los lugares de utilización.

Datos Históricos del Aire Comprimido. 

Podemos decir que los pulmones son el primer y más antiguo de los compresores del aire, pudiendo tratar 100 lts. de aire por minuto. La impulsión del aire la podemos ver en cualquier acto de la humanidad por Ej. la cerbatana para impulsar una flecha. 

Como primer compresor mecánico se puede citar el fuelle manual que fue inventado 3.000 años a.C. Sintetizando podemos decir que los avances más notables sobre la utilización del aire comprimido comienzan en: 

• 1650 Otto Von Guericke inventa la bomba de aire. 
• 1688 Demis Papin sugiere la utilización del aire por tubos neumáticos. 
• 1717 El Dr. Edmundo Halley inventa la campana de buzo. 
• 1800 Comienza a estudiarse el empleo del aire comprimido como medio de transmisión de energía, al comprobarse que el vapor debido a su rápido enfriamiento y condensación, sólo podía emplearse en distancias cortas. 
• 1810 M. Medhurst construye un compresor.
• 1888 Funciona en París la primera Central de Compresores. 
• 1890 - 1891 Se suscitaron vivas controversias sobre la rentabilidad del aire comprimido como fuerza motriz en competencias con el vapor, la electricidad y el motor de gas.

Recién en el año 1965 se comienza a comercializar los sistemas fluídicos a la industria.

¿Porqué Aire Comprimido?

Es la primera pregunta que formula el empresario cuando se le propone su uso. La razones son: su versatilidad y su rapidez de respuesta en el trabajo, su acción no es tan rápida como la electricidad, pero si es notablemente más rápida que la hidráulica. Por ser el aire un fluido compresible podemos almacenarle fácilmente en depósitos, los cuales sirven además para regular la entrada en funcionamiento del compresor y reponer el aire comprimido consumido. El mantenimiento es de poco gasto. 

Otras características propias del aire comprimido son: 

• El costo no es muy superior a los de otros sistemas de energía. 
• No implica riesgos graves ni peligro de accidentes. 
• El escape de aire no es tóxico ni es explosivo. 
• Tiene gran capacidad de regulación y de control.
• El aire no presenta riesgos de chispas ni de cargas electrostáticas. 
• Los circuitos de aire no están expuestos a los golpes de ariete. 
• Admite combinación con otras formas de energía. 

Aire Libre. 

Una cantidad en N l/min ó en m3 /min que se dan generalmente en los catálogos para el consumo de aire por las herramientas neumáticas o equipos, se refieren a aire libre por minuto (aire atmosférico a la presión y temperatura normal). 

Debemos asegurarnos que el dato sobre la capacidad del compresor que da el fabricante esté también referido a aire libre, con objeto de que exista una correspondencia entre consumo y capacidad. Normalmente, estas dos especificaciones están dadas en aire libre, y por lo tanto, no hace falta ninguna conversión. Sin embargo, cuando se trata del consumo de aire de otros equipos, es posible que no se dé en aire libre; entonces deberá recurrirse a la fórmula para la conversión de litros de aire comprimido a una presión determinada en litros de aire libre:

Existen diversas denominaciones utilizadas por los fabricantes para indicar la cantidad de aire que proporciona el compresor, tales como desplazamiento volumétrico, volumen engendrado, etc. Bajo estos nombres genéricos se considera un caudal de aire expresado en cifras teóricas, que no responde al verdadero caudal de aire suministrado por el compresor, mientras que el consumo de los equipos neumáticos se da en cifras efectivas.

Aire Atmosférico. 

Es sabido que el aire atmosférico contiene cierta proporción de humedad, esta proporción es mayor o menor según el país, la localidad, las condiciones climatológicas y según las estaciones del año. 

Las aptitudes del aire para retener agua vaporizada están relacionadas con la temperatura y la presión pero principalmente con la primera, admitiendo más vapor de agua cuando aumenta su temperatura. Un aire saturado (100% de humedad) puede retener más humedad si aumenta la temperatura o desciende la presión por el contrario desprende parte de su contenido de humedad si baja la temperatura o sube la presión.

Preparación del Aire Comprimido. 

El aire comprimido contiene impurezas (gotas de agua, polvo, restos de aceite, óxido, cascarillas, etc.) que pueden causar interrupciones en los mandos neumáticos, por lo que se debe tratar de eliminarlas, aumentando de esta forma la duración de los elementos, disminuyendo la avería de los mandos y reparaciones en general. Si no se evacua el contenido, como se suele llamar, el agua existente en los conductos del aire comprimido, puede causar daños en: 

• La red metálica. 
• Los elementos de mando. 
• Los elementos de trabajo. 
• Las máquinas. 

En caso de que exista condensado entre los elementos, no se puede garantizar un funcionamiento impecable de los mismos. Los restos de aceite de los compresores pueden producir junto con el aire comprimido una mezcla de aire y aceite (mezcla de gas), con el peligro de explosión, sobre todo cuando hay temperaturas elevadas (más de 373K)

Como precaución contra los daños que se producen en los elementos debido al aire comprimido sucio, y en perjuicio de los procesos de mando, se deben colocar los siguientes aparatos para limpiar el aire comprimido: 

• Filtro de aspiración del compresor evita la entrada del polvo. 
• Refrigerador intermedio y final del compresor sirven para separar el condensado. 
• Refrigerador final el cual no sólo se ocupa de la limpieza en la red de conductos (Separación de partículas externas y agua), sino también evita accidentes en caso de explosión, que se pueden producir por la mezcla de aire y aceite. Con este aparato se extrae la mayor cantidad posible de aceite quemado. El aire comprimido debe prepararse, sobre todo debe prestarse mucha atención a la humedad que contiene. En caso de que los refrigeradores no sean suficientes para obtener aire comprimido completamente seco, se debe realizar un proceso de secado de aire. 
• Secadores. En estos procesos de secado se puede reducir el contenido de agua hasta un 0,001 g/m3 , en casos especiales. Esta fuerte reducción solo es necesaria en casos de aplicaciones muy especiales. El principio de absorción se trata de un procedimiento puramente químico. A través del secador se sopla aire caliente el cual condensa la humedad. En la mayoría de los casos se montan en paralelo dos secadores, uno para el secado del aire y el otro para su regeneración. La capacidad de almacenado del material de secado es limitada. Bajo las condiciones normales se debe cambiar el material de secado cada 2 ó 3 años. 
• Secado en frío: Si se enfría el aire comprimido a la temperatura más baja que el punto de rocío, aparece una condensación y se separa el agua. El aire comprimido se enfría a una temperatura de 274,7 K (1,7º C). La refrigeración se realiza en el serpentín del aparato de refrigeración y a través de este serpentín circula un líquido refrigerante. Nuevamente se separan el agua y las impurezas de aceite restantes. El aire comprimido limpio y seco vuelve nuevamente a la primera parte del secador. El aire sale por el secundario y efectúa pre-refrigeración del aire comprimido caliente que entra por el primario. Las paredes interiores sucias pueden influir en el funcionamiento, por este motivo se debe colocar un filtro para separar grandes gotas de aceite y partículas de suciedad.

Depósito de Aire Comprimido 

También el depósito de aire comprimido conectado después del compresor y de las estaciones de preparación ayuda a preparar el aire comprimido. Este sirve para la estabilización de la alimentación del aire y compensa las caídas de presión en la red durante el consumo de aire; gracias a la gran superficie del depósito de aire comprimido, se enfría el aire adicionalmente. Con esto se separa directamente en el depósito de aire comprimido una parte de la humedad en forma de agua. 

El compresor alimenta el depósito de aire comprimido y tan pronto se llega a la presión ajustada se desconecta automáticamente el compresor. Si la presión baja por el consumo de aire, se conecta nuevamente el compresor. Luego, desde el depósito de aire comprimido pasa el aire por una red de conductos a los diferentes puestos de consumo.

Unidad de Mantenimiento. 

La unidad de mantenimiento es un montaje en bloque de los elementos siguientes, como se muestra en la figura 1.1: 

• Filtro de aire comprimido. 
• Regulador de presión. 
• Lubrificador del aire. 

Figura 1.2 Unidad de mantenimiento

Filtro de Aire Comprimido. 

Este elemento puede suministrarse en forma independiente ó formando una unidad con los elementos antes indicados. Su efectividad depende de la construcción (recorrido de flujo) y del cartucho filtrante. La misión de los filtros consiste en eliminar los condensados y materias sólidas que salen del aire comprimido. Estos, no deben elegirse según el diámetro de la tubería sino según el caudal de aire que van a tratar y la presión de trabajo. En caso de filtros normales se utilizan diámetros de poros de 30 a 70 mm, los filtros finos pueden tener poros de 3 mm. Ver figura 1.3.

Figura 1.3. Filtro de Aire comprimido.

Regulador de Presión. 

Todas las instalaciones neumáticas disponen de una presión de trabajo óptima, donde la presión de trabajo es menor a la presión existente en el compresor, por lo que se hace necesario regularla. Los reguladores de presión disponen de un indicador que nos da el valor de la presión que circula hacia el lado secundario, este indicador es un manómetro. Las tres razones principales para regular la presión del aire son: 

• Mantener el mínimo desperdicio de aire. 
• Obtener la máxima consistencia en la operación del circuito. 
• Mantener un balance óptimo entre el trabajo efectuado por los componentes y el desgaste de éstos. 

El regulador debe escogerse para que se ajuste a la gama de presiones de trabajo, usualmente entre O a 125 psi. Los reguladores deben instalarse en cuanto sea posible, inmediatamente antes de un lubricador, ya que el aire puede contaminarse por la interacción de algunos aceites en el diafragma del regulador.

Lubricador del Aire Comprimido. 

En un sistema neumático las piezas móviles necesitan lubricación y para que este sea suficiente y continuo se añade al aire comprimido una cierta cantidad de aceite mediante un lubricador. Las ventajas de la lubricación son las siguientes: 

• Reducción del desgaste. 
• Disminución de las pérdidas por rozamiento. 
• Protección contra la corrosión. 

Las exigencias que debe cumplir un lubricador de aire comprimido son: 

• Fácil servicio y mantenimiento. 
• Funcionamiento completamente automático, con el comienzo y terminación del trabajo debe empezar y terminar también la lubricación. 
• La cantidad de aceite para el mando neumático debe ser regulable según las necesidades. 
• Producción de una fina niebla de aceite después de la salida en el lubricador. 
• El lubricador debe funcionar en caso de necesitar el aire comprimido solamente en forma intermitente. 

La mayoría de los lubricadores trabajan según el principio de Venturi. La diferencia de presión debida a la caída de presión delante de la tobera y la presión en el lugar más estrecho de la tobera se aprovecha para aspirar líquido (aceite) de un depósito y mezclarlo con el aire. El lubricador de aire comprimido empieza a trabajar sólo cuando existe un flujo lo suficientemente grande.