Download Facts and Theory of Air

Conceptos Básicos
NEUMATICA
Contenido









Composición del aire
Presión Atmosférica
Presión manométrica
Principio de Pascal

Unidades de Presión
Fuerza de un cilindro

Escalas de Temperatura
Leyes de los gases
Temperatura constante








Presión constante
Volumen constante
Ley General de los gases
Compresion Adiabática
Compresion Politrópica
Humedad Relativa
Agua en el aire comprimido
Intercambiadores de Calor
Enfriado
Caudal en las válvulas
Composición del aire
Composición
Nitrogeno 78.09%
Oxígeno 20.95%
Argón
0.93%
Otros
0.03%
N2
O2
Ar
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
Presión atmosférica

La presión absoluta y temperatura al nivel del
mar son 1.01325 bars y 288 K (15OC),
respectivamente
1013.25 m bar
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
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
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)



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
absolutas
Pa = Pg + 1 atmósfera
Aunque en realidad 1
atmósfera es igual a 1.013
bar, se asume que 1
atmósfera es igual a 1 bar
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Presión manométrica bar g

Presión absoluta bar a
Presión Manométrica (Pg)
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Rango
extendido
de
presiones
Presiones
típicas
Presiones
Bajas
atmósfera
Vacío
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 mbar
14.5 psi = 1bar
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/



bar (10,000 Pa) es aprox. lo más fuerte que
una persona promedio puede soplar
10
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
P bar
PRESION = FUERZA
AREA

Por tanto si la presión suministrada
es constante, a mayor diámetro D del
cilindro mayor fuerza F para el
trabajo
F
Fuerza de un cilindro
D mm

La fuerza ejercida por un
pistón es igual al
producto del area efectiva
por la presión del aire
D2 P
p
Fuerza =
Newtons
40
donde
D = diámetro del cilindro en mm
P = presión en bar
P bar
Escalas de Temperatura
393
373
240
220
120
100
200
353
180
333
OK
= OC + 273.15

OF
= 9/5 OC + 32

Fahrenheit y Celsius
coinciden a - 40O
80
160
140

60
120
313
100
40
80
293
273
60
40
20
253
0
20
0
-20
-20
233
OK
-40
OF
-40
OC
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
(Ley de Boyle)
P.V = constante
Presión constante
(Ley de Charles)
V / T = constante
Volumen constante
(Ley de Gay - Lusac)
P / T = constante
Temperatura constante

Ley de Boyle: el producto
de presión y volumen de
una masa de gas se
mantiene si la
temperatura no se varía
Presión P
bar (absoluta)
16
14
12
10
8

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
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10 12 14 16
Volumen V
P1.V1 = P2.V2 = constante
Presión constante



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
Temperature
Celsius
100
80
60
40
293K
20
0
-20
-40
-60
0
0.25 0.5 0.75
1
1.25 1.5 1.75
2
Volume
V1
V2
=
=c
T1(K)
T2(K)
Presión constante



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
Temperature
Celsius
100
366.25K
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
0
0.25 0.5 0.75
1
1.25 1.5 1.75
2
Volume
V1
V2
=
=c
T1(K)
T2(K)
Presión constante



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
Temperature
Celsius
100
80
60
40
293K
20
0
-20
-40
-60
0
0.25 0.5 0.75
1
1.25 1.5 1.75
2
Volume
V1
V2
=
=c
T1(K)
T2(K)
Presión constante



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
Temperature
Celsius
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
219.75K
0
0.25 0.5 0.75
1
1.25 1.5 1.75
2
Volume
V1
V2
=
=c
T1(K)
T2(K)
Presión constante



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
Temperature
Celsius
100
366.25K
80
60
40
293K
20
0
-20
-40
-60
219.75K
0
0.25 0.5 0.75
1
1.25 1.5 1.75
2
Volume
V1
V2
=
=c
T1(K)
T2(K)
Volumen constante



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
Temperature
Celsius
100
80
60
40
20
8
6
0
-20
4
12
2
14
0
-40
-60
10
bar
16
bar absolute
0
5
10
15
20
P1
P2
=
=c
T1(K)
T2(K)
Volumen constante



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
Temperature
Celsius
100
80
60
40
20
8
6
0
-20
4
12
2
14
0
-40
-60
10
bar
16
bar absolute
0
5
10
15
20
P1
P2
=
=c
T1(K)
T2(K)
Volumen constante



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
Temperature
Celsius
100
80
60
40
20
8
6
0
-20
4
12
2
14
0
-40
-60
10
bar
16
bar absolute
0
5
10
15
20
P1
P2
=
=c
T1(K)
T2(K)
Volumen constante



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
Temperature
Celsius
100
80
60
40
20
8
6
0
-20
4
12
2
14
0
-40
-60
10
bar
16
bar absolute
0
5
10
15
20
P1
P2
=
=c
T1(K)
T2(K)
Volumen constante



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
Temperature
Celsius
100
80
60
40
20
8
6
0
-20
4
12
2
14
0
-40
-60
10
bar
16
bar absolute
0
5
10
15
P1
P2
=
=c
T1(K)
T2(K)
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
Compresión Adiabática

bar a
La compresión instantánea
es un proceso adiabático
(si no hay tiempo para
disipar el calor a través de
las paredes del cilindro)
16
PV 1. 4 = c
14
adiabatico
12
PV 1. 2 = c
10
politropico
8
PV = c
6
isotérmico
4
2
0
0
2
4
6
8 10 12 14 16 Volume

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)
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
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.
Temperatura Celsius
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
0
-20
-40
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Gramos de vapor de agua / metro cúbico de aire (gr / m3)
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
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.)
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.
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.
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.
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.
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.
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
Intercambiadores de calor






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 húmedo
Aire Seco
M
Refrigeración
Drenaje
Intercambiadores de calor




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 húmedo
Aire Seco
M
Refrigeración
Drenaje
Enfriado

Cuando el aire comprimido saturado se enfría casi al
punto de congelación,
Temperatura Celsius
25% RH
50% RH
100% RH
40
20
0
-20
-40
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Gramos de vapor de agua / metro cubico de aire gr/ m3
Enfriado

Cuando el aire comprimido saturado se enfría casi al
punto de congelación, aproximadamente el 75% del vapor
de agua se condensa.
Temperatura Celsius
25% RH
50% RH
100% RH
40
20
0
-20
-40
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Gramos de vapor de agua / metro cubico de aire gr/ m3
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
Temperature Celsius
25% RH
50% RH
100% RH
40
20
0
-20
-40
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Gramos de vapor de agua / metro cubico de aire gr/ m3