ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DEL EJRCITO SEDE LATACUNGACARRERA DE INGENIERA EN EJECUCIN DE ELECTROMECNICADISEO Y CONSTRUCCIN DE UN BANCO DE CALIBRACIN Y PRUEBAS PARA REALIZAR LAS COMPROBACIONES FUNCIONALES DE LAS VLVULAS REGULADORAS DE LOS AVIONES KFIR DE LA FAEPROYECTO PREVIO LA OBTENCIN DEL TTULO DE INGENIERO DE EJECUCIN EN ELECTROMECNICACAPT. TEC. AVC. NOVOA TRVEZ LUIS EDISON Latacunga, agosto del 2006

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DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN BANCO DE CALIBRACIN Y PRUEBAS PARA REALIZAR LAS COMPROBACIONES FUNCIONALES DE LAS VLVULAS REGULADORAS DE LOS AVIONES KFIR DE LA FAE

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CERTIFICACINSe certifica que el presente trabajo fue desarrollado por el Seor Capt. Tc. Avc. Novoa Trvez Luis Edison, bajo nuestra supervisin.

__________________________ Ing. Oswaldo Mario DIRECTOR DE TESIS

__________________________ Ing. Marco Singaa CODIRECTOR DE TESIS

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AGRADECIMIENTO

No quisiera especificar un agradecimiento en particular, ya que muchas personas apoyaron a la consecucin de este Proyecto, sin embargo quiero expresar mis sentimientos de gratitud a todas y cada una de las personas que apoyaron permanentemente, recalcando la colaboracin del personal docente de la ESPELatacunga, por esa virtuosa profesin de ser maestro y a todo el personal de la Escuadrilla Accesorios por el apoyo operativo, tcnico y humano.

Un especial agradecimiento a mi esposa e hijas por la compresin, aceptacin y apoyo del tiempo invertido en el presente proyecto.

El mayor gracias a Dios, cuya voluntad ha permitido que as sea.

L. Edison Novoa T. Capitn Tcnico de Aviacin.

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DEDICATORIA

Este proyecto es dedicado a las personas que inculcaron en mi, el mayor de los tesoros: principios, valores, y responsabilidad, cualidades que no nicamente se pueden predicar, sino que han sido manifestadas a travs de su ejemplo..Mis Padres

A mi esposa e hijas, quienes son la razn principal de mi existencia.

L. Edison Novoa T. Capitn Tcnico de Aviacin.

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NDICE GENERAL 1. CAPITULO I GENERALIDADES PAG 1.1. Introduccin 1 1.2. Justificacin. 6 1.3. Propsito.. 7 1.4. Objetivos generales.. 7 1.5. Objetivos especficos... 7 2. CAPITULO II INSTALACIN DE AIRE COMPRIMIDO 2.1. Introduccin. 9 2.2. Composicin del aire 9 2.3. Ventajas del aire comprimido.. 10 2.4. Desventajas del aire comprimido 11 2.5. Propiedades.. 12 2.5.1. Propiedades fsicas 12 2.5.2. Propiedades qumicas 13 2.5.3. Impurezas del aire.. 13 2.6. Presin del aire. 15 2.7. Leyes fsicas relativas al aire comprimido... 17 2.8. Humedad del aire. 20 2.8.1. Punto de roco 21 2.8.1.1.Procedimiento para determinar el punto de roco ...... 22 2.8.2. El punto de condensacin bajo presin 24 2.8.3. Humedad que retiene el aire comprimido despus de la compresin 24 2.9. Produccin del aire comprimido .... 25 2.10. Filtrado del aire .. 27 2.11. Vlvulas reguladoras de presin. 30 2.12. Unidades de mantenimiento .. 31 2.13. Distribucin del aire comprimido .. 35 2.14. Prdida de presin en una red de aire comprimido 38-14-

2.15. Dimensionamiento de las tuberas de la red .. 40 2.15.1. Clculo del dimetro de una tubera . 40 2.16. Tuneras y conexiones 44 2.17. Uniones .. 48 3. CAPITULO III DISEO DEL BANCO DE PRUEBA 3.1. Requerimiento del sistema 61 3.2. Seleccin del filtro de aire 62 3.3. Anlisis sobre la humedad del aire ...63 3.4. Clculo del punto de roco 63 3.5. Produccin del aire comprimido ......64 3.6. Seleccin de la unidad de mantenimiento 65 3.7. Seleccin del dimetro de la tubera . 66 3.8. Prdida de presin en las lneas del banco de prueba ... 66 3.9. Criterios para la seleccin del material de la tubera 67 3.10. Esquema neumtico .... 69 3.11. Esquema elctrico .. 71 3.12. Diseo de construccin .. 72 4. CAPITULO IV MONITOREO DE VARIABLES 4.1. Transductores.77 4.1.1. Definicin77 4.1.2. Clasificacin de las seales.77 4.1.3. Caractersticas deseables de los transductores78 4.1.4. Clasificacin de los transductores segn la variable fsica a medir79 4.1.5. Parmetros de seleccin de transductores...85 4.2. Caractersticas de los transductores empleados.85 4.3. Interfase..88 4.3.1. Instrumentacin virtual88 4.3.2. Instrumentos Virtuales versus Instrumentos Tradicionales.88 4.3.3. El Software en la Instrumentacin Virtual .90 4.4. Arquitectura de los sistemas de adquisicin de datos ...91 4.5. Seleccin del hardware .95 4.6. Tarjeta empleada DAQ NI USB-6008 para USB .97 4.7. Programacin..98-15-

4.7.1. Labview . 98 4.7.2. Programa desarrollado.. 100 5. CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1. Conclusiones107 5.2. Recomendaciones ...110 ANEXOS Anexo A Anexo B Anexo C Anexo D Anexo E Anlisis de esfuerzos Especificaciones de los transductores Especificaciones de la tarjeta de adquisicin de datos Especificaciones de los ngulos estructurales. Diagrama de vistas del Banco de Prueba Diagrama de vista Frontal del Banco de Prueba Esquema Neumtico Diagrama elctrico de DC Diagrama elctrico de AC

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NDICE DE TABLASCAPITULO I PAG Tabla 1.1 Costos de reparaciones 5 CAPITULO II Tabla 2.1 Componentes del aire ..9 Tabla 2.2 Componentes del aire comprimido..10 Tabla 2.3 Ventajas de la neumtica11 Tabla 2.4 Desventajas del aire comprimido..11 Tabla 2.5 Caractersticas del aire.12 Tabla 2.6 Calidad para la aplicacin del aire.15 Tabla 2.7 Presin del aire16 Tabla 2.8 Tipos de flujo segn el nmero Reynolds19 Tabla 2.9 Humedad del aire.21 Tabla 2.10 Variacin del punto de roco..21 Tabla 2.11 Relacin presin de saturacin y temperatura23 Tabla 2.12 Clasificacin de los filtros..28 Tabla 2.13. Aplicacin de las unidades de mantenimiento34 Tabla 2.14 Prdidas de presin..39 Tabla 2.14 Criterios para eleccin de tuberas ..44

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Tabla 2.15 Rugosidad de los materiales..45 Tabla 2.16 Caractersticas tcnicas de tubos de metal y material sinttico46 Tabla 2.17 Ventajas y desventajas de los diferentes tipos de tuberas47 Tabla 2.18 Comparacin de los materiales de tuberas48 Tabla 2.19 Diferentes tipos de uniones de tuberas..49 Tabla 2.20 Conexiones de tuberas flexibles54 Tabla 2.21 Aplicaciones de los racores.57 Tabla 2.22 Tipos de roscas57 Tabla 2.23 Conversin de roscas Withworth.58 CAPITULO III Tabla 3.1 Valores de servicio de las vlvulas61 Tabla 3.2 Relacin presin de saturacin y temperatura...63 Tabla 3.3 Criterios para seleccin del material de la tubera.67 Tabla 3.4 Caractersticas tcnicas68 CAPITULO IV Tabla 4.1 Seales digitales.78 Tabla 4.2 Seales analgicas78 Tabla 4.3 Sensores y mtodos de deteccin ordinarios para la magnitudes mas frecuentes..84 Tabla 4.4 Valores de presiones y voltajes102 Tabla 4.5 Valores de presiones y voltajes.103

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NDICE DE FIGURAS CAPTULO I Figura 1.1.- Portada de ingreso al Ala No. 12.. Figura 1.2.- Banco de Prueba de la Escuadrilla de Accesorios Ala No. 12 Figura 1.3.- Avin Kfir de la FAE CAPTULO II Figura 2.1.-Tipos y tamao de impurezas ms comunes contenidas en el aire... 14 Figura 2.2.- Ubicacin de las diferentes presiones Figura 2.3.- Cambio de seccin de la tubera. Figura 2.4.- Diagrama de Mollier. 16 18 23 2 4 5 PAG

Figura 2.5.- Contenido de agua en aire comprimido en funcin de la temperatura y de la presin 25 26 30 31 32 36

Figura 2.6.- Tipos de Compresores. Figura 2.7.- Regulador con taladro de escape (a) y sin taladro escape (b) Figura 2.8.- Bloque de una unidad de mantenimiento Figura 2.9 Combinaciones de unidades de mantenimiento.. Figura 2.10- Red abierta..

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Figura 2.11.- Red cerrada Figura 2.12.- Red cerrada con interconexiones Figura No. 2.13.- Nomograma para prdida de presin en tuberas Figura 2.14.- Nomograma para el clculo de tuberas . Figura 2.15.- Nomograma longitudes supletorias.. Figura 2.16.- Nomograma para el clculo de tuberas por cada 10 m de

37 38 39 41 42

tubera 43 Figura 2.17 a) Racor de anillo cortante, b) Racor de anillo cortante y regulado, c) Racor de manguito esfrico, d) Racor de anillo opresor.. 49 Figura 2.18 Racores roscados y enchufables Figura 2.19 Tramo de una rosca con recubrimiento de tefln..59 Figura 2.20.- Diversos mtodos para hermetizacin de roscas CAPTULO III Figura 3.1.- Diagrama de Mollier Figura 3.2.- Presin de entrada al banco de prueba. Figura 3.3.- Presin de entrada al banco de prueba. Figura 3.4.- Diagrama del banco de prueba 69 71 72 73 74 74 75 75 76 64 66 67 60 56

Figura 3.5.- Diagrama de alimentacin de 110 V de AC.. Figura 3.6.- Diagrama de alimentacin de voltaje DC.. Figura 3.7.- Banco de prueba neumtico. Figura 3.8.- Grfico estructural del banco de prueba.. Figura 3.9.- Restricciones aplicadas Figura 3.10.- Grfico del mallado de la estructura Figura 3.11.- Grfico de esfuerzos Figura 3.12.- Grfico de desplazamientos CAPTULO IV Figura 4.1.- Transductores de Presin..-20-

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Figura 4.2.- Esquema elctrico del transductor. Figura 4.3.- Puente de Wheatstone Figura 4.4.- Sistema tpico de adquisicin de datos. Figura 4.5.- Tarjeta DAQ Figura 4.6.- Tarjeta PAC. Figura 4.7.- Vista frontal de un PXI. Figura 4.8.- Osciloscopio, Instrumento de medida Figura 4.9.- Tarjeta DAQ NI USB 6008 Figura 4.10.- Panel frontal del Programa.. Figura 4.11.- Diagrama de bloques del programa.. Figura 4.12.- Panel frontal del SubVI. Figura 4.13.- Diagrama de bloques del SubVI. Figura 4.14.- Relacin de la presin vs voltaje de salida. Figura 4.15.- Relacin de la presin vs voltaje de salida. Figura 4.16.- Estructura de Formula.. Figura 4.17.- Relacin de la presin vs voltaje de salida.

87 87 91 95 96 96 96 98 101 101 102 102 103 103 104 105

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I GENERALIDADES 1.1.- INTRODUCCIN La alta complejidad que significa el mantener y operar aeronaves, las mismas que han sido construidas aplicando las ms altas tecnologas, requiere de la disponibilidad de grandes recursos econmicos, materiales y humanos. Es as que la Fuerza Area Ecuatoriana al disponer en sus inventarios, aeronaves de combate consideradas de tercera generacin; como es el avin Kfir; se encuentra empeada en optimizar los recursos materiales, econmicos y humanos que en la actualidad dispone, estos esfuerzos estn siempre encaminados a cumplir con los altos estndares de calidad y seguridad, exigidos por las diferentes normas militares y civiles nacionales e internacionales, que regulan las actividades de operacin y mantenimiento de las aeronaves y sus componentes. Una situacin importante que se denota en la misin de la FAE, es el de apoyar al desarrollo socio-econmico del pas, principalmente en el mbito aeroespacial, de aqu la obligacin que debe tener cada uno de los miembros de esta Institucin y en especial los que laboran en los mbitos

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tcnicos, de desarrollar sus capacidades y contribuir al cumplimiento en forma eficaz y eficiente la misin de la FAE. La Visin de la FAE, orienta sus esfuerzos a lograr ser una Institucin moderna, profesional y competitiva, respetada y aceptada por la sociedad y lder en el desarrollo aeroespacial, basado en sus principios y objetivos institucionales de tal forma de obtener un alto grado de alistamiento operativo, que le permita enfrentar con xito las amenazas externas e internas, que eventualmente pudieran presentarse.1 La crisis que en la actualidad le afecta al pas, no es ajena al sistema logstico que tiene la Fuerza Area, pues se evidencia por el escaso presupuesto estatal, poca preparacin tcnico-militar, carencia de polticas de Estado, falta de infraestructura, reducido abastecimiento de partes y repuestos. En este escenario se desarrollan las actividades de la Fuerza Area con sus mltiples problemas. El Ala de Investigacin y Desarrollo No. 12 de la Fuerza Area Ecuatoriana; cuya portada de ingreso se muestra en la Fig. 1.1.-; acantonada en la

ciudad de Latacunga, Provincia de Cotopaxi, inici su funcionamiento como tal, el 1 de enero de 1988, mediante decreto N 5, publicado en el Registro Oficial reservado N 323-S, del 3 de agosto de 1997, en el que se establece la nueva organizacin del Reparto.

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DOCTRINA BSICA DE LA FUERZA AREA -23-

Figura 1.1.- Portada de ingreso al Ala No. 12 En esta antigua Base, cuya creacin se remonta al 10 de mayo de 1929; en el ao de 1981, el Comando de la FAE define los estudios para la creacin de la Industria Aeronutica en la Base Area Cotopaxi; en mayo de 1985, se crea la Industria Aeronutica en Latacunga. Con ella se alcanza la autosuficiencia en los trabajos de mantenimiento de las aeronaves de la FAE, constituyndose en la primera fase del Proyecto Esperanza. El 15 de junio de 1992, para adquirir la personera jurdica, autonoma operativa y financiera, con patrimonio y fondos propios, se cre la DIAF (Direccin de la Industria Aeronutica); mediante la Ley No. 154, publicada en el Registro Oficial No. 957, con decreto promulgado por el Presidente, Dr. Rodrigo Borja Cevallos. El 30 de abril de 1994 se obtiene la calificacin de la FAA (Federal Aviation Administration), QDJY013J, en la que se autoriza al CEMFA (Centro de Mantenimiento de la FAE) como estacin reparadora internacional en las tcnicas de aviones en general, motores y servicios especializados, el 30 de abril de 1995 se amplia la calificacin de la FAA, en la que el CEMFA es

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autorizado a realizar trabajos adicionales en accesorios y servicios especializados en ensayos no destructivos en todas las tcnicas2. Como parte integrante del Ala de Investigacin y Desarrollo se encuentra la Escuadrilla de Accesorios, que viene funcionado desde el mes de enero de 1992 y cuya misin es la de Brindar mantenimiento a nivel de segundo y tercer escaln a las unidades de los sistemas: elctrico, instrumentos, combustible, hidrulico, trenes de aterrizaje, comunicacin y navegacin de los aviones de la FAE. Esta Escuadrilla dispone de infraestructura, bancos de prueba de propsito general y especifico, herramientas especiales y comunes, informacin tcnica y personal debidamente capacitado para realizar actividades como: overhall, inspecciones, reparacin, chequeos funcionales y calibraciones de accesorios, de los diferentes sistemas de las aeronaves, es pues en stas instalaciones donde se pretende que funcione el banco de prueba objeto del presente proyecto. En la Fig. 1.2.- se muestra uno de sus bancos de prueba en uno de sus talleres.

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FUERZA AEREA, Historia Ilustrada de la Fuerza Area -25-

Figura 1.2.- Banco de Prueba de la Escuadrilla de Accesorios Ala No. 12 El avin Kfir cuya silueta se muestra en la figura 1.3.- es de fabricacin israel, en su sistema de presurizacin de cabina y tanques de combustible tiene un total de siete vlvulas reguladoras, las mismas que se encargan de regular y mantener constante la presin de la cabina del piloto, tanques de combustible de las alas, tanques ventrales, tanque de vuelo invertido y tanque de liquido hidrulico, las que por su constante uso y operacin se reportan y requieren reparacin. La Fuerza Area al no disponer en sus inventarios de un banco de prueba neumtico especifico que permita verificar operacionalmente el

funcionamiento de la vlvulas reguladoras, luego de realizar trabajos de reparacin u overhall, tiene que necesariamente enviar a la Ca. IAI (Israel Aircraft Industries) para que sean recuperadas, lo que significa egresos de recursos econmicos y demoras para obtener las unidades en condiciones de aceptabilidad.

Figura 1.3.- Avin Kfir de la FAE

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A continuacin en la tabla No 1.1. se muestra de manera rpida el detalle de algunas unidades y costos que la FAE ha cancelado a la Ca. IAI, por la reparacin y/o calibracin de las vlvulas reguladoras en mencin.3 TABLA 1.1 COSTOS DE REPARACIONES P/N B14GD2011 B14GD2022 B14GD2020 B14GD2022 B14GD1041 B14GD1071 FECHA DE ENVO 07/10/2001 18/12/2001 1999 15/11/2002 2000 2000 COSTO USD 4.495,oo 4.495,oo 4.431,oo 8.360,oo 3.890,oo 3.890,oo

1.2.- JUSTIFICACIN La elaboracin y realizacin del presente proyecto se justifica si se considera que muchas unidades de los aviones de la FAE, tienen que ser enviadas al exterior para su recuperacin, lo que lgicamente involucra egresos de recursos econmicos para la Institucin. De la misma forma la presencia de conocimientos cientficos que tienen que ser comprendidos, analizados y aplicados, es tambin justificativo para la elaboracin y ejecucin del presente proyecto. El presente trabajo se constituye en la base para desarrollar nuevos proyectos que involucren la recuperacin de otras unidades de aviones que no se los hace localmente. Se cuenta con los recursos humanos adecuadamente capacitados para llevar a cabo este proyecto. Se continua consolidando la autonoma tecnolgica que pretende alcanzar la Fuerza Area, reduciendo de esta forma la dependencia de tecnologa extranjera a la que nos vemos obligados a mantener. As

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FUERZA AEREA, Dpto. Abastecimientos -27-

como se fortalece las capacidades de mantenimiento que brinda la Industria aeronutica de la FAE. A ms de emplearse este banco de prueba para realizar los chequeos funcionales de las vlvulas reguladoras de presin, eventualmente ste equipo podra emplearse para chequear otras unidades neumticas, como son: actuadores neumticos, diferentes tipos de vlvulas, motores neumticos, etc. Para el desarrollo de este Proyecto se aplicarn conceptos, principios y conocimientos cientficos recibidos en la ESPE y de la misma forma ser necesario la investigacin y profundizacin en las reas especficas. Para liberar las unidades y garantizar las condiciones de disponibilidad se considerarn parmetros de control de calidad, previstos en los manuales de reparacin de fabricante y mantenimiento de aeronaves. El costo de la adquisicin de un banco de pruebas neumtico al fabricante o al exterior es elevado, en comparacin con los costos que demandan de la ejecucin de este proyecto. 1.3.- PROPSITO Con el diseo, implementacin y operacin de este banco de prueba, se pretende contribuir al ahorro de recursos econmicos de la FAE, as como a explotar los recursos materiales y humanos disponibles en la Institucin, con el fin de contribuir a la operatividad del Escuadrn Logstico Kfir. 1.4.- OBJETIVOS GENERALES Disear y construir un banco de calibracin y pruebas neumtico que emule las condiciones de operacin en vuelo de las vlvulas reguladoras del avin Kfir. Determinar la funcionalidad, operatividad y diseo de las vlvulas reguladoras de presin del avin Kfir.

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Efectuar los chequeos funcionales de las vlvulas reguladoras de presin en un banco de prueba, de acuerdo a los manuales de mantenimiento que dispone la FAE. 1.5.- OBJETIVOS ESPECFICOS Realizar localmente las reparaciones, calibraciones y overhall de las vlvulas reguladoras que controlan la presurizacin de los tanques de combustible, lquido hidrulico y de la cabina de los aviones Kfir de la FAE. Aplicar conceptos, principios y conocimientos tericos - cientficos recibidos en la Facultad de Electromecnica de la ESPE. Fomentar la investigacin y profundizacin en las reas que sean necesarias, para cumplir los objetivos previstos en el desarrollo de este proyecto. Monitorear los parmetros de medicin por instrumentacin virtual, utilizando un programa computacional y una interfase de transmisin de datos. Fortalecer la Industria Aeronutica de la FAE, al efectuar trabajos que anteriormente no se realizaban en el pas y reduciendo la dependencia de tecnologa extranjera.

II INSTALACIN DE AIRE COMPRIMIDO2.1.- INTRODUCCIN El aire comprimido es una de las formas de energa ms antiguas que conoce el hombre y con el pasar de los tiempos lo ha venido aprovechando en los diferentes procesos industriales y mecnicos. De los antiguos griegos procede la expresin "Pneuma", que designa la respiracin, el viento y en filosofa, tambin el alma. Como derivacin de la palabra "Pneuma" se obtuvo, entre otras cosas el concepto de Neumtica, definida como: La ciencia que trata de los movimientos y procesos del aire.

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2.2.- COMPOSICIN DEL AIRE El aire que respiramos est compuesto principalmente por los elementos que se detallan en la tabla No. 2.1 TABLA 2.1 COMPONENTES DEL AIRE CONCENTRACIN APROXIMADA (N) (O) 78.03% en volumen 20.99% en volumen

COMPONENTE

Nitrgeno Oxgeno Dixido de Carbono Argn Nen Helio Criptn XennHidrgeno

(CO2)

0.03% en volumen

(Ar) (Ne) (He) (Kr) (Xe) (H) (CH4) (N2O) (H2O) (O3)

0.94% en volumen 0.00123% en volumen 0.0004% en volumen 0.00005% en volumen 0.000006% en volumen 0.01% en volumen 0.0002% en volumen 0.00005% en volumen Variable Variable Variable

Metano xido nitrosoVapor de Agua

Ozono Partculas

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El aire atmosfrico cuando se comprime se compone de la siguiente concentracin de gases: TABLA 2.2 COMPONENTES DEL AIRE COMPRIMIDOComponente Nitrgeno Oxgeno Argn Dixido de Carbono Nen Helio Kripton Hidrgeno Xenn Radn Vapor de agua MOLAR % 78,09 20,94 0,93 0,033* 18,18 x 10-4 5,239 x 10-4 1,139 x 10-4 0,5 x 10-4 0,086 x 10-4 6 x 10-18 Vara la concentracin

* La concentracin puede tener ligeras variaciones2.3.- VENTAJAS DEL AIRE COMPRIMIDO Sus ventajas son mltiples y algunas de ellas se indican en la tabla 2.3 TABLA 2.3 VENTAJAS DE LA NEUMTICA Abundante Transporte Disponible para su uso prcticamente en todo el mundo y en cantidades ilimitadas Fcilmente transportado por tuberas, incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberas de retorno

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Constitucin Velocidad Temperatura Almacenable

La concepcin de los elementos de trabajo es simple, por tanto su precio es econmico Medio de trabajo muy rpido y por eso permite obtener velocidades de trabajo muy elevadas Insensible a las variaciones de temperatura, garantiza un trabajo seguro incluso a temperaturas extremas. Puede almacenarse en depsitos y tomarse de stos. Adems, se puede transportar en recipientes.

Antideflagrante No existe ningn riesgo de explosin ni incendio Limpio No produce ninguna contaminacin. Muy importante por ejemplo, en las industrias alimenticias, madera, textiles y del cuero Posibilidad de utilizar varios niveles de presin en funcin del margen admitido

Regulacin

2.4.- DESVENTAJAS DEL AIRE COMPRIMIDO Algunas de las desventajas se indican en la tabla 2.4 TABLA 2.4 DESVENTAJAS DEL AIRE COMPRIMIDO Debe ser preparado, antes de su utilizacin. Es preciso eliminar impurezas y humedad No es posible obtener para los mbolos velocidades uniformes y constantes Es econmico slo hasta cierta fuerza. Condicionado por Fuerza la presin de servicio normalmente usual de 700 kPa (7 bar). El escape de aire produce ruido. No obstante, este Escape problema ya se ha resuelto en gran parte gracias al desarrollo de materiales insonorizantes 2.5.- PROPIEDADES 2.5.1- PROPIEDADES FSICAS-32-

Preparacin

Compresible

Las caractersticas del aire en calidad de materia prima son las indicadas en la tabla 2.5 TABLA 2.5 CARACTERSTICAS DEL AIRE MAGNITUD FSICA Densidad a 0 C a 15 C a 20 C Constante R de los gases perfectos Capacidad trmica a 0 C; a 0 C; p = constante V = constante cp = 1,005 cV = 0,716 1,4 18,13x10-6 Pa.s kJ/kg.K kJ/kg.K VALOR 1,293 1,223 1,199 287 UNID kg/m3 kg/m3 kg/m3 J/kg K

Exponente adiabtico Viscosidad dinmica (presin normalizada) a 20 C Viscosidad cinemtica (presin normalizada) a 20 C (= relacin viscosidad/densidad)

15,55

mm2/s

Segn la norma ISO 6358, la densidad normal del aire es de 1,185 Kg/m3 A continuacin se enuncian los datos fsicos del aire comprimido: Punto de ebullicin -194,3C Presin de Vapor 21,1C

Densidad al punto de ebullicin 874 Kg/m3 Gravedad especfica (aire=1) 21,1C = 1,0

2.5.2. PROPIEDADES QUMICASReacciona con la temperatura, condensndose en hielo a bajas temperaturas y produce corrientes de aire.

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Es bien conocido el efecto de expansin de lquidos y gases por aumento de la temperatura. La relacin entre la temperatura, volumen y presin de un gas se puede calcular por la ley de Charles.

2.5.3. IMPUREZAS DEL AIREEl aire al comprimirse, tambin se comprimen todas las impurezas que contiene, tales como polvo, holln, suciedad, hidrocarburos, grmenes y vapor de agua. A estas impurezas se suman las partculas que provienen del propio compresor, tales como polvo de abrasin por desgaste, aceites coquizados y aerosoles. Ello significa que al comprimir el aire atmosfrico aumenta la concentracin de las impurezas aumenta multiplicndose por el nmero de veces que se comprime su volumen. Pero ese no es el nico problema. Adems, la red de tuberas tambin contiene residuos y depsitos, tales como xido, cascarilla, residuos de soldadura y de substancias hermetizantes que pueden producirse durante el montaje de la valvulera. En la figura 2.1.-se enuncian los tipos y tamaos de impurezas ms comunes que contiene el aire.

Tamao de las partculas en m

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En las grandes ciudades, el aire contiene aproximadamente 140 millones de partculas de polvo por 1 m3. De esas partculas, el 80 por ciento tiene un tamao inferior a 5 m. Para que el aire que respiramos pueda considerarse limpio, no debe contener partculas de tamao superior a 0,01 m.

Tamao de las partculas en m Figura No. 2.1.-Tipos y tamao de impurezas ms comunes contenidas en el aire Ello significa que, en estado natural, el aire no es limpio. Las impurezas pueden ocasionar fallos en las unidades consumidoras y daar la red neumtica. Las impurezas incluso pueden tener una influencia reciproca negativa. Las partculas de polvo, por ejemplo, crean partculas ms grandes si entran en contacto con agua o aceite. El aceite, por su parte, crea una emulsin si entra en contacto con agua.

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Existen clases de calidad recomendadas para cada aplicacin neumtica. Estas clases corresponden a la calidad del aire que, como mnimo, necesita la unidad consumidora correspondiente. En la siguiente tabla No. 2.6 consta la calidad del aire comprimido en funcin de los tipos de impurezas. TABLA No. 2.6 CALIDAD PARA LA APLICACIN DEL AIRECuerpos Slidos ( m) 40 40 40 40 40 40 o bien 50 40 5 1 1 1 1 0,01 Punto de condensacin del agua (0C) +10 +10 +3 +3 +3 +3 +3 +3 -20 +3 -20 o bien -40 Conteni do mx de aceite 3 (mg/m ) 25 5 25 25 25 25 1 1 1 1 0,1 0,1 Clase de filtracin recomendada 40 m 40 m 40 m 40 m 40 m 40 o bien 50 m 5 m1 m 5 m1 m 5 m1 m 5 m1 m 5 m1 m 5 m1 m - 0,01 m

Aplicaciones

Minera Lavandera Mquinas soldadoras Mquinas herramientas Cilindros neumticos Vlvulas neumticas Mquinas de embalaje Reguladores finos de presin Aire de medicin Aire de almacenaje Aire para aplicacin de pintura Tcnica de detectores Aire puro para respirar

2.6.- PRESIN DEL AIRE La presin se mide en valores absolutos o diferenciales. En la tabla 2.7 y figura 2.2.- se ubican las diferentes presiones existentes.

TABLA 2.7 PRESIN DEL AIRE-36-

PRESIN Presin atmosfrica Presin absoluta Presin diferencial Sobre presin Vaco

DESCRIPCIN La baromtrica del aire Presin comparada con vaco absoluto en calidad de valor cero Expresa la diferencia existente entre dos presiones absolutas Superior a la atmosfrica Inferior a la atmosfrica La de la unidad consumidora en el momento de la toma de aire comprimido Existente en la red mientras no se consume aire comprimido

VALOR Bajo condiciones estndar es igual a 101,325 Pa La marcada por un instrumento de medicin Por ejemplo la diferencia entre sobre presin o vaco con la atmosfrica Presin de valores superior a 101,325 Pa Presin de valores inferior a 101,325 Pa La presin de trabajo de la unidad consumidora Puede ser de vaco o sobre presin.

Presin de flujo

Dinmica

Al aprobarse el sistema internacional de unidades en 1978, el Pascal (Pa) se acept como unidad oficial de presin, siendo: 1 Pa = 1 N/m2 105 Pa = 0,1 Mpa = 1 Bar

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Figura 2.2.- Ubicacin de las diferentes presiones 2.7.- LEYES FSICAS RELATIVAS AL AIRE COMPRIMIDO El aire comprimido es aire atmosfrico sometido a presin. La presin del aire atmosfrico depende de la altura geogrfica. El movimiento de los lquidos y de los gases se llama flujo. Estos dos fluidos se diferencian entre si en la medida en que los lquidos casi no se pueden comprimir, mientras que el volumen de los gases depende en buena parte de la presin. No obstante, los cambios de volumen tienen poca importancia si los gases fluyen a una velocidad inferior que la velocidad del sonido de 340 m/s. Hasta esa velocidad se puede afirmar que el aire tiene un volumen constante. Adems, el aire se comporta casi como un gas ideal a temperaturas entre 0 C y 200 C y con presiones de hasta 3000.000 Pa (30 bar), sin considerar se la friccin aplicar interna. diversas Partiendo ecuaciones de estas bsicas

consideraciones,

pueden

relacionadas con la mecnica de los fluidos. La presin (p), la temperatura (t) y el volumen especifico (Vesp) son magnitudes que estn proporcionalmente relacionadas entre si. Por lo tanto, tiene validez la siguiente ecuacin general:

p.Vesp T

const. (Ecuacin 2.1)

Cuando fluye el aire comprimido a travs de una tubera se expresa en el caudal Q en unidades de volumen por unidad de tiempo. Q= A.L en m3/s (Ecuacin 2.2) A: Dimetro interior en m2; A=(D2. )/4 L: Longitud del segmento de volumen que fluye en un segundo en m/s

ECUACIN DE LA CONTINUIDAD

-38-

Como se visualiza en la figura 2.3.- el fluido sufre tiene que pasar por cambios de seccin en la tubera, en ese caso se aplica la ecuacin de la continuidad. A1.v1 = A2.v2 = Q (Ecuacin 2.3) V1, V2 =Velocidad

Figura 2.3.- Cambio Est ecuacin indica que

de seccin de la tubera las velocidades son

inversamente proporcionales a los dimetros de la tubera, siempre y cuando no vare la cantidad de caudal. Si el caudal se expresa en metros cbicos normalizados por hora (Nm 3/h), siempre esta relacionado con una presin p = 101300 Pa (1,013 bar) y una temperatura t = 0 C. FLUJO A TRAVS DE LA TUBERA Se presentan dos tipos de flujo; el laminar y el turbulento; ver tabla 2.8, el ndice de Reynolds indica el lmite entre el caudal laminar y caudal turbulento. Este ndice expresa la influencia que tienen las fuerzas de friccin ocasionadas por los elementos perturbadores de flujo.

TABLA 2.8 TIPOS DE FLUJO SEGN EL NMERO REYNOLDSCaudal Laminar Cuando los tubos no tienen elementos perturbadores Re es inferior a 2320. Re es superior a 2320 e inferior a 3000 puede ser laminar o turbulento

Laminar o turbulento

-39-

Caudal turbulento

Cuando los tubos tienen elementos perturbadores

Re es superior a 3000

Tratndose de redes neumticas, la velocidad media del flujo oscila entre 6 y 40 m/s, con lo que por lo general es turbulento. Las turbulencias oponen una resistencia al flujo, con lo que se produce una perdida de presin en la red. Las turbulencias son aproximadamente proporcionales al cuadrado de la velocidad del flujo. Ello significa que la meta consiste en disponer de tubos con paredes interiores lo mas lisas posible y en configurar la red de tal modo que oponga la mnima resistencia posible al flujo. Para calcular la velocidad media del flujo, debe aplicarse:

vmA Vesp

m (Ecuacin 2.4) .Vesp (m / s) . Am

.

Flujo de la masa (Kg/s)

Seccin del tubo (m2) Volumen especfico (m3/Kg)

Esta velocidad media sirve para el clculo del ndice Reynolds:

Red v

vm .d v

(Ecuacin 2.5)

dimetro del tubo en m Viscosidad cinemtica en m2/s

ECUACIN GENERAL PARA EL ESTADO DE LOS GASES La interdependencia existente entre el volumen V (l/kg), la presin p (Pa) y la temperatura T (C) se expresa mediante la ecuacin general para el estado de los gases. Esta ecuacin se obtiene combinando las leyes de Boyle, de Mariotte y de Gay-Lussac. Suponiendo que p, V y T cambian al mismo tiempo, son validas las siguientes ecuaciones: Modificacin de la presin, sin cambiar la temperatura T1, segn Boyle y Mariotte.

-40-

V1 VX

p2 o p1

Vx

V1. p1 (Ecuacin 2.6) p2

Modificacin de la temperatura T1 a T2, sin cambiar la presin, segn Gay-Lussac.

Vx V2

T1 T21

o

V2

V x .T2 T1

V1 . p1 .T2 (Ecuacin 2.7) p 2 .T1

Combinando estas ecuaciones, se obtiene el cambio general del estado:

p 2 .V2 T2

p1 .V1 T1

const.

Ri (Ecuacin 2.8)

La constante del aire es Ri = 287 J/kgK, siendo 1 J (Joule) = 1 Nm. 2.8.- HUMEDAD DEL AIRE. El aire hmedo es una mezcla entre aire seco y vapor de agua. El aire slo puede contener vapor de agua en cantidades limitadas. En la tabla 2.9 se detalla las definiciones de humedad del aire. La cantidad de vapor de agua depende de la presin atmosfrica local y la temperatura. Si el aire se enfra, el vapor de agua se condensa. Los lmites de la condensacin estn determinados por el punto de roco y por el punto de condensacin bajo presin. TABLA 2.9 HUMEDAD DEL AIRE Uni. Definicin Relacin entre el contenido real de vapor de Humedad relativa del aire (W rel) % agua y el contenido mximo de posible de vapor de agua en el aire (estado de saturacin). Cantidad mxima de vapor de agua que g/m3 contiene un metro cbico de aire a una determinada temperatura.

Humedad mxima del aire (Fmx)

-41-

Humedad absoluta del aire (F)

g/m3

Cantidad de vapor de agua real contenida en un metro cbico

2.8.1.- PUNTO DE ROCO El punto de roco o punto de condensacin, es la temperatura en la que el aire est saturado de vapor de agua. Esta saturacin completa corresponde a una humedad de 100 por ciento. En el instante en que la temperatura del aire es inferior a este punto, empieza la condensacin del aire hmedo. Si la temperatura es inferior a los cero grados centgrados, se forma hielo. Este fenmeno puede causar dificultades en el caudal y funcionamiento de los componentes del sistema neumtico. TABLA 2.10 VARIACIN DEL PUNTO DE ROCOSi la temperatura es ms alta, ms vapor de agua es capaz de retener el aire. Si la presin es ms alta, el aire contiene menos humedad

T

vapor de agua

Pr aire

H del aire

El punto de roco depende de la humedad relativa del aire, de la temperatura y de la presin, aplicndose la relacin indicada en la tabla 2.10. 2.8.1.1.- PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR EL PUNTO DE ROCO Para ilustrar este procedimiento se va a emplear un ejemplo: Suponiendo que la humedad relativa del aire W rel es de 0,5 (50%) la presin p es de 3 bar y la temperatura T es de 24 C, Cul es la temperatura del punto de condensacin?

-42-

Se determina la presin de saturacin ps (24 C) a 24 C, usando la tabla 2.11, resultando que ps (24 C) es igual a 29,82 mbar. Se calcula el contenido de agua x (g/kg), empleando la siguiente frmula:

xDonde:

0,622 .prel

rel

p

. ps .10 3 (Ecuacin 2.8) rel . p s

Presin absoluta (bar) Humedad relativa ( =0 hasta 1,0)

ps Presin de saturacin con vapor (bar)

x

0,622 .

0,5.0,02982 .10 3 3 (0,5.0,02982 )

3,11 g / Kg

TABLA 2.11 RELACIN PRESIN DE SATURACIN Y TEMPERATURA4T en C -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 Ps en mbar 1,029 1,247 1,504 1,809 2,169 2,594 3,094 4,681 4,368 5,172 6,108 T en C +2 +4 +6 +8 +10 +12 +14 +16 +18 +20 +22 Ps en mbar 7,055 8,129 9,345 10,70 12,70 14,01 15,97 18,17 20,62 23,37 26,42 T en C +24 +26 +28 +30 +32 +34 +36 +38 Ps en mbar 29,82 33,60 37,78 42,41 47,53 53,18 59,40 66,24

4

Manual de neumtica de la FESTO AG

Co. -43-

En el diagrama de Mollier de la figura 2.4.- se lee la temperatura del punto de condensacin, uniendo las lneas correspondientes a p=3 bares y contenido de agua X=3,11, donde se cruzan y es de 13 C.

Figura 2.4.- Diagrama de Mollier 2.8.2- EL PUNTO DE CONDENSACIN BAJO PRESIN El punto de condensacin bajo presin corresponde a la temperatura que se aplica para obtener una determinada presin de funcionamiento. Si se reduce la presin del aire comprimido hasta alcanzar la presin atmosfrica, el aire aumenta de volumen. Por ello, el punto de roco del aire a presin atmosfrica es inferior al punto de condensacin bajo presin, considerando que la temperatura se mantiene constante. Si, el aire tiene un punto de condensacin bajo presin de +3 C, no puede condensar agua mientras que la temperatura ambiente sea superior a +3 C. En el momento en

-44-

que el aire comprimido tiene una temperatura inferior a esos +3 C, se produce condensado. 2.8.3- HUMEDAD QUE RETIENE EL AIRE COMPRIMIDO

DESPUS DE LA COMPRESIN Considerando que la temperatura del aire aspirado y del aire comprimido son iguales, sucede que si se aspiran 6 m 3 de aire atmosfrico para comprimirlo y obtener 1 m3 de aire comprimido, se obtiene un excedente de cinco partes de agua que forman condensado. La cantidad de humedad que realmente contiene el aire comprimido depende de la temperatura del aire y la presin, en la figura 2.5.- se puede leer la cantidad mxima de humedad, si el aire se enfra al comprimirlo su capacidad de retencin de agua es menor, en consecuencia se produce condensado.

-45-

Si un metro cbico de agua contiene 7 gramos de agua siendo la presin 6 bares y la temperatura de 40 C, si la

temperatura baja a 10 C, el agua contiene nicamente 1,3 gramos de agua, ello significa que se ha eliminado 5,7 gramos de agua. Figura 2.5.- Contenido de agua en aire comprimido en funcin de la temperatura y de la presin 2.9.- PRODUCCIN DEL AIRE COMPRIMIDO

-46-

Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presin del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumticos se alimentan desde una estacin central.

TIPOS DE COMPRESORES En la figura No. 2.6.- se detallan los tres tipos bsicos de compresores existentes. Tipos de Compresor es

De mbolos oscilantes

De mbolo rotativo

Turbo compresor

Compresor de pistn

Compresor de membrana

Compresor radial

Turbo compresor axial

Compresor rotativo celular

Compresor helicoidal bicelular

Compresor Roots

Figura No. 2.6.- Tipos de Compresores

-47-

El primero trabaja segn el principio de desplazamiento. La compresin se obtiene por la admisin del aire en un recinto hermtico, donde se reduce luego el volumen. Se utiliza en el compresor de mbolo (oscilante o rotativo). El segundo trabaja segn el principio de la dinmica de los fluidos. El aire es aspirado por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleracin de la masa (turbina). El otro trabaja por el principio de accin y reaccin. El aire ingresa y se aumenta la presin debido a la desviacin por aletas ubicadas a diferentes ngulos especficos, una turbina hace girar estas aletas. 2.10.- FILTRADO DEL AIRE La eleccin del filtro apropiado es fundamental para la calidad del aire, para obtener aire comprimido de alta calidad, es necesario prever varias fases de filtracin. Un solo filtro fino no es suficiente para obtener aire de calidad satisfactoria. CLASIFICACIN DE LOS FILTROS: Los filtros se clasifican de la siguiente manera:Filtro Los filtros comunes son capaces de retener partculas de tamaos superiores a 40 m o a 5 m, segn su grado de filtracin y el tipo de cartucho filtrante. Microfiltro Estos filtros retienen partculas de tamaos superiores a 0,1 m. Filtro submicrnico Estos filtros pueden retener partculas de tamaos superiores a 0,01 m. Sin embargo, antes de pasar por estos filtros, el aire tiene que haber pasado previamente por otro, capaz de retener partculas de hasta 5 m Filtros de carbn activo Estos filtros son capaces de retener partculas

-48-

a partir de 0,003 m, lo que significa que pueden retener substancias aromatizantes u odorferas. Los filtros de carbn activo tambin se llaman filtros submicrnicos.

Para conseguir aire de clases de mayor calidad, la filtracin de las substancias slidas siempre deber hacerse por fases, para lo que puede montarse, por ejemplo, un filtro submicrnico detrs de un filtro micrnico. Para determinar el grado de pureza que debe tener el aire comprimido, puede recurrirse a la tabla 2.12 TABLA 2.12 CLASIFICACIN DE LOS FILTROSTipo de filtro Campo de aplicacin Funcin principal Eliminacin de impurezas, partculas de polvo superiores a 5 m, aceite lquido superior a 99%, humedad sobresaturada inferior a 99% Eliminacin de impurezas, partculas de polvo superiores a 0,3 m, niebla de aceite superior a 99%, punto de condensacin atmosfrico de -17 C Eliminacin de la humedad y de partculas de polvo superiores a 5 m, aceite superior a 99%, punto de condensacin atmosfrico de -17 C Eliminacin de impurezas y humedad, partculas de polvo superiores a 0,3 m, niebla de aceite superior a 99,9%, punto de condensacin atmosfrico de -17 C Eliminacin de impurezas y humedad, partculas de polvo superiores a 0,01 m, niebla de aceite superior a 99,9999%, punto de condensacin atmosfrico de -17 C

A

Se aceptan ligeras impurezas, humedad y aceite

Accionamiento de mandos de mquinas, sistema de sujecin, martillos percutores, chorros de aire, aire para taller

B

Eliminacin prioritaria de polvo y aceite, admitindose una pequea cantidad de humedad (que se explica por la diferencia de temperaturas)

Equipos industriales, actuadotes neumticos, juntas metlicas, herramientas, motores.

C

Tiene prioridad la eliminacin de la humedad aceptando pequeas cantidades de aceite y polvo.

Aplicaciones similares a las de A, aunque situacin ms difcil debido a una mayor diferencia de temperaturas en la red o en las unidades consumidoras, cabinas de pintura, aplicaciones con spray. Tcnicas de procesos, instrumentos de medicin, sistemas sofisticados de aplicacin de pintura, refrigeracin de material fundido, mquinas de inyeccin de plsticos.

D

Eliminacin necesaria de humedad, polvo y aceite.

E

Necesidad disponer de aire limpio. Eliminacin casi total de humedad, polvo y aceite.

Instrumentos de medicin neumticos, tcnica de fluidos, pintura aplicacin electrosttica, secado y limpieza de componentes electrnicos.

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F

Necesidad de disponer de aire extremadamente limpio. Eliminacin casi completa de humedad, polvo, aceite y olor.

Industria farmacutica y alimentaria (embalaje, secado transporte, preparacin de alimentos), aplicaciones de tcnica mdica, trabajos de sellado y emplomado.

Eliminacin de todas las impurezas y sustancias odorferas, partculas de polvo superiores a 0,01 m, niebla de aceite superior a 99,9999%, punto de condensacin atmosfrico de -17 C Eliminacin de todas las impurezas, humedad y vapores, partculas de polvo superiores a 0,01 m, niebla de aceite superior a 99,9999%, punto de condensacin atmosfrico inferior a -30 C

G

Necesidad prioritaria de un bajo punto de condensacin y aire prcticamente exento de polvo y aceite

Proceso de secado en electrnica almacenamiento de productos farmacuticos, instrumentos de medicin de la marina, transporte de material en polvo

Se realizan las siguientes preguntas para elegir un filtro y se procede en concordancia con las respuestas: Qu grado de pureza debe tener el aire? Qu tamao tienen las conexiones, en funcin del caudal y la presin? Qu tipo de purga; manual o automtica; es recomendable?

El condensado es una mezcla de partculas slidas, agua y aceite. El condensado tiene propiedades agresivas. Por ello es importante eliminarlo. Los equipos qumicos-trmicos de preparacin del aire comprimido son capaces de transformar el condensado en agua potable y el aire filtrado en aire puro, apropiado para la respiracin. Estos sistemas de filtros son respetuosos con el medio ambiente y no exigen un vertido especial al desecharlos. 2.11.- VLVULAS REGULADORAS DE PRESIN1 Cuerpo 4 Membrana con taladro 7 Muelle de compresin

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2 Asiento 3 Plato de vlvula

5 Membrana unida fijamente al mbolo de la vlvula 6 Taladro de escape

8 Pomo roscado para ajustar la fuerza del muelle 9 Manmetro

(a)

(b)

Figura 2.7.- Regulador con taladro de escape (a) y sin taladro escape (b) Los reguladores de presin tienen la funcin de mantener constante el nivel de la presin secundaria; la que lleva hacia las unidades consumidoras; independientemente de las oscilaciones que se producen en el circuito principal. Si vara la presin secundaria, el funcionamiento de los elementos de mando y de los actuadores varia de modo inaceptable. Si la presin de funcionamiento es demasiado alta, aumenta el desgaste y el consumo de energa es menos eficiente. Si la presin de funcionamiento es demasiado baja, el rendimiento disminuye y, con frecuencia, las unidades consumidoras no funcionan correctamente. En trminos generales, la parte de trabajo de la red debe tener una presin de 6x105 Pa, mientras que la parte de los mandos necesita 4x105 Pa. En la figura 2.7.- se muestra la construccin de dos tipos de reguladores de presin de aire comprimido. 2.12.- UNIDADES DE MANTENIMIENTO

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1 Empalme para el tubo 2 Vlvula de cierre manual 3 Filtro y vlvula reguladora 4. Filtro

5 Purga de condensado 6 Bloque distribuidor 7 Lubricador de aire comprimido 8 Vlvula reguladora de presin

9 Vlvula de arranque progresivo 10 Bloque distribuidor 11 Manmetro 12 Presostato

Figura 2.8.- Bloque de una unidad de mantenimiento Las unidades de mantenimiento son combinaciones compactas, por lo general compuestas de una vlvula de cierre, filtro, vlvula reguladora de presin y lubricador, montados en ese orden. Estas unidades se montan cerca de las unidades consumidoras y tienen la finalidad de preparar el aire comprimido. Al montar los componentes de una unidad de mantenimiento se deber tenerse en cuenta la direccin del flujo, tal como consta en cada uno de ellos mediante una flecha indicadora. Adems, las unidades de mantenimiento tambin pueden incluir componentes de seguridad y de control. Los reguladores de presin tienen la finalidad de mantener un nivel de presin constante, incluso si vara el consumo de aire comprimido, y adems, deben garantizar la disposicin de la presin de trabajo necesaria. La presin de funcionamiento se regula mediante la vlvula reguladora. En la figura 2.8.- se aprecia la estructura modular de una unidad de mantenimiento.

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P Fuente de aire comprimido LOE Lubricador LFMB Filtro submicrnico

LFMA Filtro micrnico, submicrnico HE vlvula de cierre manual LFR Bloque distribuidor

LFR Unidad de filtro y regulador

Figura 2.9 Combinaciones de unidades de mantenimiento Las unidades de mantenimiento permiten obtener aire comprimido preparado de modo ptimo y, adems, consiguen absorber las oscilaciones que puede experimentar la presin debido a la conexin y desconexin del compresor. Ello significa que tanto el lado secundario como el lado primario estn acoplados a la unidad de mantenimiento. En la figura 2.9 se muestra las combinaciones usuales de unidades de mantenimiento SELECCIN DE UNA UNIDAD DE MANTENIMIENTO Para elegir la unidad de mantenimiento mas apropiada, debe considerarse los siguientes criterios: presin, caudal, humedad, contenido de aceite y cantidad y tamao de las partculas. Adicionalmente es recomendable tener en cuenta las sugerencias que se explican a continuacin: La unidad de mantenimiento debe tener conexiones de un tamao por una unidad superior que el tamao que seria tericamente suficiente para el caudal mximo previsible. Si las conexiones son demasiado pequeas, se producen oscilaciones de presin en los reguladores y disminuye la duracin de los filtros. Las unidades de mantenimiento deben montarse en el lugar de menor temperatura de todo el sistema. La unidad de mantenimiento debe montarse a mximo 5 metros de distancia de la ltima unidad consumidora. De lo contrario, es posible que la niebla de aceite se deposite antes de llegar a la unidad consumidora que la necesita, suponiendo que se trabaje con aire lubricado. El separador de agua se encarga de eliminar las gotas de agua acumuladas en la red de tuberas. Pero, aunque el recipiente sea grande, termina llenndose. Por ello, es absolutamente necesario-53-

efectuar

los

trabajos

de

mantenimiento

con

regularidad

y

en

concordancia con las recomendaciones oficiales. Si se tienen dudas, es preferible prever desde un principio el uso de un separador automtico. Los depsitos de los filtros deberan limpiarse nicamente con agua, no con detergentes. En caso de aplicaciones en condiciones industriales rudas, es preferible utilizar una funda protectora metlica. Es recomendable que los filtros para la retencin de substancias slidas no sean ms grandes que lo absolutamente necesario. Al montarlos, debe tenerse en cuenta la direccin del flujo. Los cartuchos filtrantes no se limpian y deben desecharse. Para evitar el uso no autorizado de la vlvula de regulacin, esta puede estar provista de cabezales con llave. nicamente debern utilizarse los aceites minerales de poca viscosidad recomendados por el fabricante de los lubricadores de aire comprimido. Tambin las unidades de mantenimiento mismas tienen que someterse a un servicio de mantenimiento regular, ya que de lo contrario pueden averiarse o funcionar de modo deficiente. En la tabla 2.13 se detallan las aplicaciones de las unidades de mantenimiento TABLA 2.13. APLICACIN DE LAS UNIDADES DE MANTENIMIENTOCaractersticas de las aplicaciones Ejemplos de aplicaciones Funcin principal Aplicaciones Aplicaciones con poca Sistemas de control neumtico; chorros del caudal con poca

dependencia de la presin primaria, regulacin de la presin entre 0,5 y 16 bar; caudal hasta 15 000 l/min.;

dependencia de la presin A primaria, con caudales

con arena; pintura a pistola; neumticos motores

variados y con descarga de la presin secundaria

histresis inferior a 0,05 bar; precisin de repeticin de 0,2 bar; descarga de la presin en el circuito secundario;

compensacin de presin y de caudal Para B ahorrar aire utilizando Optimacin consumo cilindros al de del usar doble Regulacin de la presin mediante vlvula antirretorno: regulacin entre 0,5 y 16 bar; caudal hasta 15 000

comprimido

cilindros de doble efecto; sin

-54-

mayor regulacin,

precisin aunque

de con

efecto; doble efecto; cilindros sujecin;

l/min.; histresis inferior a 0,05 bar; caudal hasta 250 l/min.

ciclos de alta frecuencia

motores neumticos

Si

habiendo

un

caudal se presin Instrumentos de Gran precisin de regulacin; con pequeo caudal; regulacin de la

pequeo necesita C

variable una

medicin neumticos, tcnica de medicin y regulacin, tcnica de fluidos

constante; gran precisin de regulacin; oscilacin casi imperceptible de la presin primaria

presin entre 0,05 y 5,5 bar. Precisin de repeticin de 0,005 bar; valor umbral 0,005 bar; caudal hasta 250 l/min.

2.13.- DISTRIBUCIN DEL AIRE COMPRIMIDO Cada mquina y mecanismo necesita una determinada cantidad de aire, siendo abastecido por un compresor, a travs de una red de tuberas, tanto principales como de servicio. El dimetro de las tuberas debe elegirse de manera que si el consumo aumenta, la prdida de presin entre el depsito y el consumidor no sobrepase del 2% de la presin de trabajo o tambin es recomendable que este valor no sobrepase de 0.1 bar. Si la cada de presin excede de este valor, la rentabilidad del sistema estar amenazada y el rendimiento disminuir considerablemente. En la planificacin de instalaciones nuevas debe preverse una futura ampliacin de la demanda de aire, por cuyo motivo debern dimensionarse generosamente las tuberas. El montaje posterior de una red ms importante supone costos dignos de mencin. COMPONENTES PRINCIPALES DE LA RED DE AIRE COMPRIMIDOTubera principal Tubera de distribucin Tubera de unin Transporta aire comprimido desde el compresor hasta el taller. Se encarga de llevar el aire comprimido desde la tubera principal hasta los diversos puestos de trabajo Une la tubera de distribucin con cada uno de los puestos de trabajo, con frecuencia son flexibles

-55-

Derivacin

Lleva desde la tubera de distribucin hasta un determinado lugar del taller, esta tubera no es circular y termina en un punto muerto. Los tubos forman un anillo de distribucin, la ventaja es que permite bloquear determinados tramos y an as disponer de aire comprimido en otros puntos.

Tubera circular

REDES DE DISTRIBUCIN Es importante el tendido de las mismas, las tuberas requieren un mantenimiento y vigilancia regulares, por cuyo motivo no deben instalarse dentro de obras, ni en emplazamientos demasiado estrechos. En estos casos, la deteccin de posibles fugas se hace difcil. Pequeas faltas de estanqueidad ocasionan considerables prdidas de presin. Red abierta En el tendido de las tuberas debe cuidarse, sobre todo, de que la tubera tenga un descenso en el sentido de la corriente del 1 al 2%.

Figura 2.10- Red abierta En consideracin a la presencia de condensado, las derivaciones para las tomas aire, en el caso de que las tuberas estn tendidas horizontalmente, se dispondrn siempre en la parte superior del tubo. En la figura 2.10.- se representa una rede abierta. As se evita que el agua condensada que posiblemente en encuentre en la tubera principal llegue a travs de las tomas. Para recoger y vaciar el agua

-56-

condensada se disponen tuberas especiales en la parte inferior de la principal. Red cerrada En la mayora de los casos, la red principal se monta en circuito cerrado. Desde la tubera principal se instalan las uniones de derivacin. Con este tipo de montaje de la red de aire comprimido se obtiene una alimentacin uniforme cuando el consumo de aire es alto. El aire puede pasar en dos direcciones. En la figura 2.11.- se representa una red cerrada.

Figura 2.11.- Red cerrada Red cerrada con interconexiones En la red cerrada con interconexiones hay un circuito cerrado, tal como se indica en la figura No. 2.12.-, que permite trabajar en cualquier sitio con aire, mediante las conexiones longitudinales y transversales de la tubera de aire comprimido,

-57-

Figura 2.12.- Red cerrada con interconexiones Ciertas tuberas de aire comprimido pueden ser bloqueadas mediante vlvulas de cierre si no se necesitan o si hay que separarlas para efectuar reparaciones y trabajos de mantenimiento. Tambin existe la posibilidad de comprobar faltas de estanqueidad. 2.14.- PRDIDA DE PRESIN EN UNA RED DEL AIRE COMPRIMIDO Cuanto ms largos son los tubos, tanto mayor es la perdida de presin en el punto de toma para las unidades consumidoras. Esto se explica por la rugosidad de la pared interior de los tubos y por la velocidad del caudal. En el nomograma de la figura 2.13 se puede leer la prdida de presin en funcin del dimetro y de la longitud de los tubos. Las tuberas de unin suelen tener un dimetro de 25 mm. En ese caso se puede contar con las prdidas de presin que constan en la tabla 2.14, en funcin del caudal y suponiendo una longitud nominal de 10 metros

TABLA No. 2.14 PRDIDAS DE PRESIN Caudal (l/s) 10 20 30 Pr diferencial (bar) 0,005 0,02 0,04

-58-

Figura No. 2.13.- Nomograma para determinar prdida de presin en tuberas 2.15.- DIMENSIONAMIENTO DE LAS TUBERAS DE LA RED El dimetro de las tuberas se elige en conformidad con los siguientes parmetros: El caudal La longitud de las tuberas

-59-

La prdida de presin (admisible) La presin de servicio La cantidad de estrangulamientos en la red En la prctica se utilizan los valores reunidos con la experiencia. 2.15.1.- CLCULO DEL DIMETRO DE UNA TUBERA USANDO EL NOMOGRAMA El nomograma de la figura 2.14.- ayuda a encontrar el dimetro de la tubera de una forma rpida y sencilla. Con los datos dados, se puede determinar el dimetro provisional de las tuberas, aplicando el siguiente procedimiento: En el nomograma, unir la lnea A (longitud M tubo) con la B (cantidad de aire aspirado) y prolongar el trazo hasta C (eje l). Unir la lnea E, (presin) con la lnea G (prdida de presin). En la lnea F (eje 2) se obtiene una interseccin. Unir los puntos de interseccin de los ejes 1 y 2. Esta lnea corta la D (dimetro nominal de la tubera) en un punto que proporciona el dimetro provisional deseado. Las resistencias de los elementos estranguladores (vlvula de cierre, accesorios en T, compuerta, codo normal) se indican en longitudes supletorias. Se entiende por longitud supletoria la longitud de una tubera recta que ofrece la misma resistencia al flujo que el elemento estrangulador o el punto de estrangulacin. La seccin de paso de la "tubera de longitud supletoria" es la misma que la tubera. Un segundo nomograma, el de la figura 2.16.- permite averiguar rpidamente las longitudes supletorias

-60-

Figura 2.14.- Nomograma para el clculo de tuberas5 Con los valores de longitud provisional y supletoria tenemos un valor de longitud total de tubera, con este dato, el consumo de aire, la prdida de presin y la presin de servicio se puede determinar, como en el caso anterior, con ayuda del nomograma de la figura 2.11.- el dimetro definitivo de las tuberas.

5

Tomado del manual de neumtica de FMA Pokorny, Francfort -61-

Figura 2.15.- Nomograma longitudes supletorias USANDO LA FORMULA Se puede tambin calcular el dimetro interior de la tubera empleando la siguiente ecuacin:. 1,85

dd p1 p Ltotal V

5

1,6.10 .V

3

.

Ltotal p. p1

(Ecuacin 2.9)

dimetro interior del tubo en metros presin de funcionamiento en Pa Perdida de presin en Pa (no debe ser superior a 0,1 bar) Longitud nominal de tubera en metros (valor corregido) Caudal en m3/s-62-

CLCULO PARA TUBERAS DE INTERCONEXIN

Figura 2.16.- Nomograma para el clculo de tuberas por cada 10 m de tubera Las tuberas de interconexin son el ltimo eslabn en la conduccin del aire comprimido hacia su conversin de trabajo. El nomograma de la figura 2.16.- permite obtener cualquiera de las cuatro incgnitas que se presentan en el clculo de tuberas, sabiendo las tres restantes. Para lo cual se emplea el siguiente procedimiento. Se toma el valor de la presin en la escala de presiones y el valor de cada de presin en la escala de cada de presin por 10m de tubera,

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uniendo estos dos puntos llegamos a la recta R sobre la lnea de referencia. Desde R trazamos una recta por el valor de caudal indicado (lnea de caudal). La misma que al prolongarla a la lnea del dimetro de la tubera nos indica el valor de la tubera requerida. 2.16.- TUBERAS Y CONEXIONES Para elegir el material de los tubos utilizados en redes de aire comprimido, hay que tener en cuenta los factores que se indican en la tabla 2.14 TABLA No. 2.14 CRITERIOS PARA ELECCIN DE TUBERASCalidad del aire comprimido Dimensiones de los tubos Presin Condiciones del entorno Tuberas resistentes a la corrosin, empalmes. que no provoquen la acumulacin de depsitos Instalaciones cortas o largas Poca prdida de presin; mximo 0,1 bar; fugas mnimas Estabilidad a la incidencia de luz solar, resistencia a bacterias y a temperaturas tropicales Tendido sencillo de los tubos y montaje de los empalmes, utilizacin de herramientas y materiales especiales, necesidad de disponer de conocimientos especiales. Vlvulas y accesorios de alta calidad y robustos a precios econmicos Utilizacin de componentes auxiliares para el montaje, por ejemplo escuadras de montaje Temperaturas de servicio extremas.

Trabajo de montaje

Costos del material

Rigidez de los materiales Coeficiente de dilatacin trmica del material

En una misma red pueden utilizarse diversos materiales. Adems, tambin hay que tener en cuenta siempre los costos de instalacin. Los tubos de metal suelen ser mas baratos, pero hay que soldarlos o unirlos con conexiones roscadas, por lo que es posible que el interior de los tubos contenga residuos. La perdida de presin tambin depende de la rugosidad de la pared interior de los tubos. En la tabla 2.15 se encuentran datos resumidos sobre la rugosidad de diversos tipos de tubos. TABLA 2.15 RUGOSIDAD DE LOS MATERIALES

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Material Tubo de cobre Tubo de material sinttico Tubo de acero estirado Tubo de acero soldado Tubo de hierro zincado

Rugosidad en m Menos 1,5 Menos de 1,5 10 hasta 50 50 hasta 100 120 hasta 150

Las redes pueden estar construidas de tubos de metal y/o material sinttico. En la tabla 2.16 se hace una comparacin de las caractersticas tcnicas de tubos de metal y material sinttico. En la tabla 2.17 se enuncian las ventajas y desventajas de cada uno de los tipos de tuberas.

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TABLA 2.16 CARACTERSTICAS TCNICAS DE TUBOS DE METAL Y MATERIAL SINTTICO Tubo de acero sin costura Tubo roscados Tubo de acero inoxidable Tubo de cobre Tubo de aluminio Tubo de material sinttico Material blando enrollable hasta 100 metros. Material duro en unidades de hasta 3 metros. Poliamida (PA, PUR, PE)

Ejecucin

Negro o zincado

Semipesado hasta pesado negro o zincado

Sin costura o soldado

Material

Por ejemplo, St 35

Sin costura St 100 Soldado St 33

p. ej. W.S.T. 4301,4541, 4571

Dimension es

10,2 hasta 558,8 mm

1/8 hasta 6 pulgadas

6 hasta 273 mm

Presiones Extremo del tubo Uniones

12,5 hasta 25 bar Liso Soldadura

10 hasta 80 bar

Hasta 80 bar y en parte presin superior Liso Soldadura(con-66-

Suave en tuberas circulares, Recubierto o duro en pintado tubos rectos Aluminio, p. ej. Cobre resistente al agua salada 6 hasta 22 mm suave 6 hasta 54 mm 12 hasta 40 mm duro 54 hasta 131 mm duro Segn ejecucin 14 bar (a 30 C 16 hasta hasta +30 C) 140 bar Liso Roscas, Liso Racores

12 hasta 63 mm

14 bar (a 25 C hasta +30 C) Liso Racores

Cnico, liso o rosca Racores, soldadura

gas protector)

soldadura , racores

enchufables reutilizables

enchufables reutilizables

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TABLA 2.17 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS DIFERENTES TIPOS DE TUBERAS Tubo de acero sin costura Tubo de acero inoxidable Uniones estancas Ausencia de corrosin, Posibilidad Disponibilidad de de doblar numerosos racores y para accesorios mximas Posibilidad de doblar calidades de aire (p. ej. en aplicaciones de tcnica medica) Corrosin, en parte Montaje tambin en tubos nicamente cincados, por operarios Grandes resistencias experimenta al flujo y resistencias dos; por friccin; Oferta Fugas despus de uso limitada de prolongado; racores y Montaje difcil debido accesorios; a la necesidad de Piezas cortar roscas y de costosas soldar; Tubo roscados-68-

Tubo de cobre Ausencia de corrosin , Paredes interiores lisas Posibilid ad de doblar

Tubo de aluminio

Tubo de material sinttico Ausencia de corrosin, Flexible, Ligero, Resistente a golpes, Exento de mantenimiento, Instalacin sencilla, Conexiones sencillas entre tubos flexibles Poca longitud, Menor distancia entre apoyos en comparacin con tubos de acero. Al aumentar la temperatura disminuye la resistencia a la presin. Posibilidad de cargas

Ventajas

Uniones estancas Posibilidad de doblar

Resistente a roturas, Ausencia de corrosin, Pared interior lisa Ligero

Desventaj as

Corrosin (tubos negros) Montaje por operarios experimenta dos. Gran masa en comparacin con tubos de plstico o de

Montaje por operarios Menor experime distancia ntados y entre especiali apoyos en zados. comparaci Posibilid n con tubos ad de de acero formaci n de calcantita

aluminio

Montaje por operarios experimentados

electrostticas. Gran coeficiente de dilatacin trmica (0,2 mm/ C)

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En la tabla 2.18 se compara esquemticamente los tipos de tubos, parmetros que sirven para seleccionar segn las exigencias especficas que plantea cada aplicacin. TABLA 2.18 COMPARACIN DE LOS MATERIALES DE TUBERAS Crculo completo = muy adecuado Semicrculo = suficiente

Cuarto de crculo = con limitaciones 2.17.- UNIONES RACORES Por lo general suelen utilizarse racores. En la figura 2.17 se muestran algunos ejemplos. Estos racores son apropiados para tubos de acero normal o de precisin sin costura. Es recomendable evitar que los racores estn expuestos a grandes fuerzas de traccin, ya que de lo contrario se

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produce una fatiga prematura del material. Las formas bsicas de los racores son las siguientes: Racores rectos Racores angulares Racores en T

1 Anillo de corte 2 Tuerca de unin 3 Racor 4 Canto de dilatacin 5 Manguito esfrico 6 Tubo 7 Anillo obturador 8 Anillo opresor

Figura 2.17 a) Racor de anillo cortante, b) Racor de anillo cortante y regulado, c) Racor de manguito esfrico, d) Racor de anillo opresor A continuacin en la siguiente tabla se enuncia diferentes tipos de bridas y uniones de la tuberas: TABLA 2.19 DIFERENTES TIPOS DE UNIONES DE TUBERASUnin de tubos metlicos por bridas de centraje Bridas Unin por brida de un tubo y material sinttico

Soldadura a tope Por soldadura con manguito contrctil

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Soldadura a tope con costura en V

Unin mediante pegamento

Atornillable con anillo de refuerzo

Enchufable con tuerca de unin prolongada

Con manguito de Unin tubos material sinttico mediante racores de de Con reborde hermetizante para tubos de poliamida apriete

Con casquillo de sujecin

Para tubos flexibles

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Racor rpido roscado Racores enchufables para tubos Racor enchufable

Tubo flexible normal

Tubo flexible doble soldado

Tubos flexibles y conexiones

Tubo flexible doble incorporado

Tubo flexible coaxial

Tubo flexible con capa intermedia de refuerzo

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Tubo flexible mltiple

Tubo flexible hbrido

Tubo flexible triple extrudado

Tubo flexible Tubos flexibles y conexiones Tubo flexible espiral recubierto

Tubo flexible ondulado de proteccin Tubo flexible de vaco con espiral de alambre de acero Tubo flexible con anillos protectores de metal

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CRITERIOS PARA SELECCIN DE TUBOS FLEXIBLES Flexibilidad, radio de curvatura mnimo Resistencia mecnica, resistencia a los golpes y a la friccin Resistencia a la fatiga por envejecimiento del material, a rayos ultravioleta, a las condiciones meteorolgicas Propiedades dielctricas y electrostticas Inflamabilidad, combustibilidad Resistencia a la temperatura Resistencia a substancias qumicas, resistencia a aceites minerales. Tolerancia de los dimetros interiores y/o exteriores. Rugosidad de la pared interior. Permeabilidad de gases. Posibilidad de soldar o pegar. Resistencia a la fatiga por envejecimiento a raz de vibraciones y tensiones continuas. Recuperacin duradera, en caso de tubos flexibles en espiral. Estabilidad de la forma y de la seccin Apropiado para uso de cadenas de arrastre Apropiado para la industria alimentaria y farmacutica Identificacin mediante colores diferentes Resistencia a hidrlisis y microbios

TIPO DE CONEXIONES DE TUBOS FLEXIBLES Existen diversas formas de unir tubos flexibles entre si o de unirlos con vlvulas, ya sea de modo permanente o desconectable. En la tabla 2.20 se muestran diversas soluciones tcnicas para establecer conexiones de modo sencillo. Cada uno de estos tipos de conexiones tiene muchas

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variantes y tambin hay numerosas posibilidades de combinar elementos funcionales. TABLA 2.20 CONEXIONES DE TUBERAS FLEXIBLESRacor rpido despus enchufable.de enchufar;

Autobloqueante

estanco en el dimetro exterior del tubo Racor rpido de roscado.rosca Racor y con

combinacin

conexin

enchufable al extremo del tubo Boquilla enchufable.- Las boquillas se introducen en los tubos; estancas en el dimetro interior del tubo; asegurar la unin con abrazaderas Racor con boquilla enchufable.-

combinacin de boquilla y racor roscado; estanco en la rosca y en el dimetro interior del tubo Unin rpida.- Montaje por deslizamiento exterior del tubo flexible y aseguramiento mediante tuerca de unin; estanco en el cono y en el interior del tubo Racor rpido.- Vlvula con rosca y junta cnica para tubos para montaje por deslizamiento exterior Abrazadera tubular.- Despus de montar el tubo se coloca la abrazadera que se fija mediante un perno. Apropiada para tubos flexibles conductores

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En la figura 2.18 se muestra la gran variedad de componentes comerciales utilizados para el transporte y la distribucin de aire comprimido. Adems,.los componentes pueden ser de diversos materiales y tamaos. En la tabla 2.19 se incluyen diversos materiales en funcin de las aplicaciones, recurriendo a ejemplos que se utilizan actualmente en diversas ramas industriales.

-84-

-85-

Figura 2.18 Racores roscados y enchufables TABLA 2.21 APLICACIONES DE LOS RACORESComponentes de racores rpidos roscados Anillo extraccin de Versiones mini y estndar Policarbonato Versiones resistentes a la corrosin y a cidos Vitn Versiones antiestti cas NBR

Versiones de metal

Versiones ignfugas

Latn niquelado, cromado Vitn

NBR

Manguito elstico Cuerpo

NBR

NBR

Vitn

NBR

Acero, PBT, latn niquelado, aluminio anodizado de Latn / acero inoxidable Latn / niquelado, masa hermetizante de tefln PAN, PUN, PUN-H, PLN

Latn niquelado, cromado

PBT (ignfugo)

Acero inoxidable

PBT conductor

Mecanismo bloqueo Pieza roscada

Latn / acero inoxidable Latn niquelado, cromado /

Latn / acero inoxidable Latn / niquelado, masa hermetizante de tefln PAN, VO, PUN-VO, PFAN

Acero inoxidable Acero inoxidable

Latn / acero inoxidable Latn / niquelado masa hermetizante de tefln PUN-CM

Tubos normalizados con tolerancia exterior

PAN, PFAN, PUN, PUNH, PLN

PFAN, PUN-H, PLN

ROSCAS En la neumtica se utilizan roscas hermetizantes especialmente en los puntos de alimentacin y de toma de aire. Las roscas se definen por su perfil, el paso, la cantidad de vueltas y el sentido de las espiras. Los tipos de rosca ms difundidos se indican en la tabla 2.22 TABLA 2.22 TIPOS DE ROSCAS Denominacin Rosca mtrica estndar segn ISO Rosca mtrica fina segn ISO Abre v. M M Ejempl o M10 M16x1, 5 Norma DIN 13, 1502 DIN 13 ISO

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Rosca Withworth de tubos (G) Rosca Withworth de tubos (R) Rosca NPT Rosca de tubos blindados

G R NPT PG

G 1/8 R1/4

DIN ISO 228 DIN 2999

NPT Norma americana PG21 EN 50626, DIN 40431

Rosca mtrica segn ISO: Este tipo de rosca se utiliza en tornillos y tuercas de todo tipo. Tambin se llama rosca estndar porque se utiliza para los mas diversos fines. El Angulo de ataque de la rosca es de 60. Rosca mtrica fina ISO: Este tipo de rosca se utiliza en elementos de sujecin y hermetizantes. El paso de rosca es menor que en el caso de las roscas tipo estndar, por lo que la cantidad de espiras es mayor. Rosca Whitworth fina ISO: El ngulo de ataque en estas roscas es de 55. Estas roscas no se utilizan con fines hermetizantes. La rosca es cilndrica y su identificacin esta determinada por el dimetro nominal; dimetro interior del tubo; sobre el que se monta la rosca. Rosca Whitworth fina (R): Se trata de una rosca cnica hermetizante; cono de relacin 1:16;. Esta rosca se utiliza para uniones de tubos y para racores. En la siguiente tabla se incluye la conversin de las indicaciones del dimetro: TABLA 2.23 CONVERSIN DE ROSCAS WITHWORTHTamao de la rosca en pulgadas, exterior del tubo Dimetro nominal del tubo segn DIN 2440 en mm Dimetro exterior de la rosca en mm Long. til de la rosca mm dimetro R1/8 R1/4 R3/8 R1/2 R3/4 R1 R1 1/4 R1 1/2 R2

6

8

10

15

20

25

32

30

50

9,7

13,2

16,7

21,0

26,4

33,3

41,9

47,8

59,6

6,5

9,7

10,1

13,2

14,5

16,8

19,1

19,1

23,4

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Rosca NPT (national pipe thread): Se trata de una rosca americana cnica que se utiliza en fbricas de mquinas y de automviles. Rosca de tubos blindados: Esta rosca se utiliza en tubos de pared delgada con tubo de proteccin de acero, especialmente en la electrotecnia. Para conseguir que las roscas sean estancas, se puede recurrir a uno de los siguientes mtodos: Utilizacin de retenes o cinta de tefln Aplicacin de pegamento o de agentes hermetizantes especiales Utilizacin de roscas con recubrimiento de tefln

Tal como se aprecia en la figura 2.19.-, la rosca solo tiene un recubrimiento parcial. De esta manera se evita un excedente de material hermetizante que podra ensuciar el interior del tubo al ajustarse la rosca. Por esta misma razn tambin es importante respetar los momentos de apriete indicados. Si una rosca pierde sus propiedades hermetizantes por haberse utilizado varias veces; mas de 5 veces; deber emplearse una cinta de tefln.a)

Zona recubierta

b) c)

Zona sin recubrimiento Grosor del material sin recubrimiento

Figura 2.19 Tramo de una rosca con recubrimiento de tefln

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En la figura 2.20.- se muestran otras posibilidades para conseguir que las roscas sean estancas. Entre estas posibilidades se incluye el uso de juntas de material sinttico o de metal, para lo que las roscas correspondientes deben tener los rebajes, superficies o acanaladuras necesarias.a) Cinta obturadora b) Junta trica en acanaladura 1 Rosca exterior 2 Rosca interior 5 Junta metlica de 45o 6 Junta plana

c) Hermetizacin de un rebaje de 45o d) Junta plana

3 Cinta de tefln 4 Junta trica

7 Rosca R cnica exterior 8 Rosca interior G cilndrica

Figura 2.20.- Diversos mtodos para hermetizacin de roscas

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III DISEO DEL BANCO DE PRUEBA3.1.- REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA En la tabla 3.1 se detalla los valores de servicio de las diferentes vlvulas reguladoras de presin. La vlvula de control de presin de prueba entrega un flujo de aire de hasta 76,20 m3/h (1270 l/min), este flujo est en funcin de la presin de aire de entrada y de la reduccin de presin deseada. El flujo de aire puede ser regulado por el ajuste de un tornillo de regulacin en la entrada de la vlvula. La presin de aire puede variar de 1.5x10 5 a 10x105 Pa (21,77 a 145,03 PSI). La reduccin de presin esta entre 10000 y 150000 Pa (1,45 a-21,75 PSI), dependiendo del tipo de compartimiento a presurizar. El ajuste de la presin reducida es definido por el usuario y se lo hace durante las pruebas. TABLA 3.1 VALORES DE SERVICIO DE LAS VLVULASVLVULA Presin de entrada Pa Presin de salida (KPa) Mx flujo (l/min) Temp. aire de entrada (C) Vlvula de alivio incorporada Activacin (KPa) Presin relativa de reduccin(KPa) VLVULAPresin de entrada (Pa) Presin de salida (KPa) Mx flujo (l/min) Temp. aire de entr (C)

B14GD2011

B14GD20315

B14GD20515

B14GD2021

1,5x10 Pa a 20x10 Pa 113,5 735 61,54,5 700 240 34,5 p24,5 34,5B14GD2041

69,74,2 700

51,74,2 365

83,5 p73,5 83,5B14GD20715

93 p83 93,04207-15

72,5 p65,5 72,5B14GD2101

61,54,5 700

1,5x10 a 20x10 Pa 784 91,24,2 665 240 Vlvula de alivio incorporada 735

116,73,7 135

Activacin (KPa) Presin relativa de reduccin(KPa)

83,5 p73,5 127,5 p107,5 115 p105 83,5 127,5 115

140 p130 520

3.2.- SELECCIN DEL FILTRO PARA AIRE

-90-

Al igual que en todo lugar, el aire atmosfrico encontrado en la ciudad de Latacunga no es totalmente puro, a estas impurezas propias se suman las impurezas encontradas en la red de tuberas, como tambin los residuos en el depsito, tales como xido, cascarilla, residuos de soldadura y restos de tefln empleado en el montaje de la valvulera, uniones y tubera. Es as que de acuerdo a la tabla 2.6, se ha determinado el empleo de un filtro con una clase de filtracin 40 m, considerando que el banco de prueba contiene vlvulas y llaves de paso, adems las calibraciones efectuadas con la vlvula de regulacin no son finas.Cuerpos Slidos ( m) 40 Punto de condensacin del agua (0C) +3 Conteni do mx de aceite 3 (mg/m ) 25 Clase de filtracin recomendada 40 m

Aplicaciones

Mquinas herramientas

Se ha seleccionado un filtro del Tipo A de acuerdo a la tabla 2.12, que es el ms comn con capacidad de retener partculas de tamaos superiores a 40 m y es de tipo cartucho.Tipo de filtro Campo de aplicacin Funcin principal Eliminacin de Accionamiento de mandos Se aceptan ligeras A impurezas, humedad y aceite de mquinas, sistema de sujecin, martillos percutores, chorros de aire, aire para taller impurezas, partculas de polvo superiores a 5 m, aceite lquido superior a 99%, humedad sobresaturada inferior a 99%

Los condensados son eliminados manualmente mediante trampas ubicadas en varios puntos de la tubera principal 3.3.- ANLISIS SOBRE LA HUMEDAD DEL AIRE Estadsticamente y empleando un medidor de humedad que se dispone en el Ala No. 12, se ha podido determinar un valor promedio de humedad del

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aire del 80%., de la misma forma la presin baromtrica es de 1,033 bares Como sabemos que la cantidad de agua depende de la presin atmosfrica local y la temperatura, si el aire se enfra el vapor de agua se condensa, los lmites de la condensacin estn determinados por el punto de roco. 3.4.- CALCULO DEL PUNTO DE ROCO La temperatura a la cual el aire se satura de vapor de agua, lo vamos a calcular a continuacin: DATOS Humedad relativa del aire Presin del aire Temperatura Wrel=0,80% Pr= 10 bar T= 20C

De acuerdo a la tabla 3.2. la presin de saturacin a 20C es 23,37 TABLA 3.2 RELACIN PRESIN DE SATURACIN Y TEMPERATURA6T en C -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 Ps en T en mbar C 1,029 +2 1,247 +4 1,504 +6 1,809 +8 2,169 +10 2,594 +12 3,094 +14 4,681 +16 4,368 +18 5,172 +20 6,108 +22 Ps en T en mbar C 7,055 +24 8,129 +26 9,345 +28 10,70 +30 12,70 +32 14,01 +34 15,97 +36 18,17 +38 20,62 23,37 26,42 Ps en mbar 29,82 33,60 37,78 42,41 47,53 53,18 59,40 66,24

Se calcula en contenido de agua x (g/kg)

x

0,622 .

rel

p

. ps .10 3 (Ecuacin 3.1) rel . p s1,1650 g / Kg

x

0,622 .

0,80 x0,02337 .10 3 10 (0,80 x0,02337 )

6

Manual de neumtica de la FESTO AG

Co. -92-

Con este valor en el diagrama de Mollier de la figura 3.1.- se lee la temperatura de condensacin de 14,2C, que es el valor de temperatura a la cual el aire se satura de vapor de agua

Figura 3.1.- Diagrama de Mollier 3.5.- PRODUCCIN DEL AIRE COMPRIMIDO Se ha empleado la red de aire comprimido que se dispone en el taller de Accesorios del Ala No. 12, cuya red tiene instalado un compresor de tipo pistn de dos cabezales en V cuya presin mxima es de 10x105Pa (10bar), una potencia de 2 HP. 3.6.- SELECCIN DE LA UNIDAD DE MANTENIMIENTO Para seleccionar la unidad de mantenimiento se ha considerado los siguientes criterios: El dimetro de la conexin de entrada al banco de prueba, es decir, un dimetro igual a pulg.

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Se ha instalado en la parte posterior del banco de prueba donde se considera que la temperatura no va aumentar.

Posee una vlvula de cebado manual de condensados. Razn por la cual se ha seleccionado una del tipo de A de acuerdo a la tabla 2.13.Caractersticas de las aplicaciones Ejemplos de aplicaciones Funcin principal

Aplicaciones con poca dependencia de la presin primaria, A con caudales variados y con descarga de la presin secundaria

Aplicaciones del caudal con poca dependencia de la presin primaria, regulacin de la presin entre 0,5 y 16 Sistemas de control bar; caudal hasta neumtico; chorros con 15.000 l/min.; arena; pintura a pistola; histresis inferior a motores neumticos 0,05 bar; precisin de repeticin de 0,2 bar; descarga de la presin en el circuito secundario; compensacin de presin y de caudal

3.7.- SELECCIN DEL DIMETRO DE LA TUBERA La red empleada es la que ya est instalada en el taller y es una del tipo red abierta. Pero debemos determinar el dimetro de la tubera de las lneas del banco de prueba, para lo cual se va a emplear el mtodo de la ecuacin (Ecuacin 3.2) para este clculo: DATOS Caudal: Longitud de la tubera: 735 lt/min = 0,01225 m3/s 4 m.

Prdida de presin admisible: 0,1 bar Presin de servicio: 10 bar

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d

5

1,6.10 3.V

. 1,85

.

Ltotal (Ecuacin 3.2) p. p11,85

d

5

1,6.103. 0,01225

.

.

4m 0,1.105.10.105

d= 11,32 mm, por lo cual se escoge la tubera de pul = 12,7 mm 3.8.- PERDIDA DE PRESIN EN LAS LNEAS DEL BANCO DE PRUEBA Para determinar la prdida de presin en las lneas del banco de prueba y debido a que la distancia total que tiene la tubera que es relativamente corta, se ha empleado el mtodo experimental, es decir, se ha colocado un manmetro (Figura 3.2.-) a la entrada y a la salida del banco de prueba (Figura 3.3.-), lo que ha dado una diferencia de presiones de 0,07 bares, que quiere decir que es la presin que se ha perdido en la tubera, lo que definitivamente es aceptable de acuerdo a las parmetros recomendados.

Figura 3.2.- Presin de entrada al banco de prueba, con un valor de 104 PSI

Figura 3.3.- Presin de entrada al banco de prueba, con un valor de 105 PSI

3.9.MATERIAL DE LAS TUBERAS

CRITERIOS PARA LA SELECCIN DEL

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De acuerdo a los criterios indicados en la tabla 3.3 se determina que el material de la tubera escogido es tubo de hierro galvanizado. TABLA 3.3 CRITERIOS PARA SELECCIN DEL MATERIAL DE LA TUBERACalidad del aire comprimido Dimensiones de los tubos Presin Condiciones del entorno Tuberas resistentes a la corrosin, empalmes. que no provoquen la acumulacin de depsitos Instalaciones cortas Presin mxima de 15 bares, Poca prdida de presin; mximo 0,1 bar; fugas mnimas Estabilidad a la incidencia de luz solar, resistencia a bacterias Tendido sencillo de los tubos y montaje de los Trabajo de montaje empalmes, utilizacin de herramientas de roscado comn. Costos del material Rigidez de los materiales Coeficiente de dilatacin trmica del material Temperaturas de servicio ambientales Accesorios de calidad y robustos a precios econmicos Utilizacin de componentes auxiliares para el montaje, por ejemplo abrazaderas y soportes

Adems se ha considerado las caractersticas tcnicas descritas en la tabla 3.4 de este material de tubera TABLA 3.4 CARACTERSTICAS TCNICASTubo roscados Ejecucin Material Dimensiones Presiones Extremo del tubo Semipesado hasta pesado negro o zincado Sin costura St 100 Soldado St 33 1/8 hasta 6 pulgadas 10 hasta 80 bar Cnico, liso o rosca

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Uniones

Racores, soldadura

Este material presenta las siguientes ventajas y desventajas Disponibilidad de numerosos racores y accesorios Ventajas Posibilidad de soldar. Costo econmico Disponibilidad mercado Corrosin, en parte tambin en tubos cincados, Resistencias al flujo y resistencias por friccin; Desventajas Fugas despus de uso prolongado; Montaje difcil debido a la necesidad de cortar roscas y de soldar; Montaje por operarios experimentados

Adems se ha analizado las exigencias especficas que presentan cada material de las tuberas, que son las que se detallan en la tabla 2.18 Las uniones y codos han sido roscados con una rosca estndar ISO M12, adems para estas uniones se ha empleado un pegamento hermetizante denominado Permatex as como cinta de tefln para cada unin. 3.10. - ESQUEMA NEUMTICO El diagrama de la figura 3.4.- representa esquemticamente el sistema neumtico diseado y construido.

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1. Vlvula de cierre 2. Vlvula de cierre 3. Vlvula de cierre 4. Vlvula de cierre 5. Regulador de presin 6. Vlvula de cierre 7. Vlvula de cierre 8. Manmetro 0-15 PSI 9. Manmetro 0-250 PSI 10. Flujmetro 0-120 m3/hr.

11. Silenciador 12. Convertidor de seales neumt/elct 13. Convertidor de seales neumt/elct 14. Unidad de mantenimiento 15. Vlvula de cierre 16. Compresor 17. Punto de conexin para calibracin 18. Punto de conexin para calibracin P1, P2,P3 puntos conexin de presin

Figura 3.4.- Diagrama del banco de prueba El circuito neumtico del banco de prueba construido, contiene los siguientes elementos: 1. Vlvula de cierre.- controla la abertura y cierre general de aire hacia el banco de prueba. 2. Vlvula de cierre.- controla el paso y cierre de aire hacia el sistema de alta presin. 3. Vlvula de cierre.- controla el paso y cierre de aire hacia el sistema de baja presin. 4. 5. Vlvula de cierre.- controla el paso y cierre de aire hacia el flujmetro. Regulador de presin.- permite colocar los valores de presin deseados, para las diferentes pruebas.

-98-

6.

Vlvula de cierre.- controla el paso de presin para el manmetro de baja presin, adems asla al manmetro para realizar su calibracin con un patrn de prueba.

7.

Vlvula de cierre.- controla el paso de presin para el manmetro de alta presin, adems asla al manmetro para realizar su calibracin con un patrn de prueba.

8.

Manmetro 0-15 PSI.- indicador de los valores de presin en PSI del lado de baja presin.

9.

Manmetro 0-250 PSI.- indicador de los valores de presin en PSI del lado de alta presin.

10. Flujmetro 0-120 m3/hr.- indicador de cantidad de flujo de aire en lt/min. 11. Silenciador.- unidad que sirve para reducir el ruido que generan el aire de salida. 12. Convertidor de seales neumtico/elctrico.- transforma las magnitudes de presin del lado de baja a seales elctricas. 13. Convertidor de seales neumtico/elctrico.- transforma las magnitudes de presin del lado de alta a seales elctricas. 14. Unidad de mantenimiento.- compuesta por un filtro, un regulador de presin y un lubricador. 15. Vlvula de cierre.- controla el paso principal de fluido. 16. Compresor.- unidad generadora de presin y flujo de aire. 17. Punto de conexin para calibracin.- empleado para conectar un patrn de verificacin y calibracin. 18. Punto de conexin para calibracin.- empleado para conectar un patrn de verificacin y calibracin. P1, P2,P3 puntos de conexin de presin.- para conectar con la unidad que est bajo prueba. 3.11.- ESQUEMA ELCTRICO

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Diagrama de alimentacin de 110 V de AC.

Figura 3.5.alimentacin

Diagrama de de 110 V de AC

El circuito elctrico que se detalla en la figura 3.5.-, bsicamente consiste en alimentar a una luz piloto que indica al operador la presencia de energa y a su vez esta energa alimenta a la luz fluorescente que alumbra a la mesa de trabajo.

Diagrama de alimentacin de 28 V de DC El circuito elctrico de corriente continua que es el que se indica en la figura 3.6.-, alimenta a los transductores de presin, a su vez el voltaje generado por los transductores se toma a travs de un divisor de voltaje para conectarse con la tarjeta de adquisicin de datos. Este circuito tiene conectado una luz piloto para indicar al operador la presencia de corriente continua. Tambin tiene un fusible para proteger a los transductores de presin. Una fuente de voltaje variable de DC ubicada en el taller alimenta al sistema.

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Figura 3.6.- Diagrama de alimentacin de voltaje DC 3.12.- DISEO DE CONSTRUCCIN El banco de prueba, cuyas fotografas son las de la figura 3.7.-. est construido con una estructura de perfil de ngulo de revestido por toll de 1/32. Para lo cual se ha empleado mquinas como suelda elctrica, remachadora, dobladora y cortadora de toll. Es robustamente fabricado con el fin de alojar a las tuberas, instrumentos, accesorios neumticos y elctricos que son parte de los sistemas empleados para comprobar funcionalmente las vlvulas reguladoras de presin. Adems contiene una mesa de trabajo donde se asegura la vlvula de prueba para realizar las conexiones de las tuberas, as como los ajustes de los elementos de calibracin cuando se requiere ajustar los parmetros de la vlvula.

Figura 3.7.- Banco de prueba neumtico La estructura del banco de prueba no soporta cargas ni esfuerzos considerables, sin embargo se ha procedido a analizar el diseo y materiales seleccionados con el Software de Diseo Mecnico COSMOS cuyo procedimiento y resultados son los siguientes: De acuerdo a los resultados del anlisis de diseo, los cuales estn basados en un anlisis esttico lineal y asumiendo que el material es-101-

isotrpico. Se deduce que el diseo la construccin del banco empleando los elementos seleccionados, es totalmente adecuado para soportar las cargas y esfuerzos a los que se somete Como se indica en la figura 3.8.- se procede a graficar la estructura del banco de prueba, en el Anexo B se indican las especificaciones del ngulo estructural empleado.

Figura 3.8.- Grfico estructural del banco de prueba Considerando que la presin ejercida sobre el banco es de 30 N/m 2 se procede a realizar las simulaciones, obtenindose la hoja de resultados adjuntada en el Anexo A. Sin embargo a continuacin se resume analtica y grficamente los resultados alcanzados. En la figura 3.9.- se define como restriccin sin desplazamiento a la base del banco de prueba en todos los sentidos de direccin.

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Figura 3.9.- Restricciones aplicadas Se trata a la estructura como un elemento finito es por eso que resulta un mallado con elementos slidos tetradricos, como se indica en la figura 3.10.-

Figura 3.10.- Grfico del mallado de la estructura Los esfuerzos mximos se ubican en los vrtices y el centro de la mesa de trabajo, tal como se puede ver en la figura 3.11.-

Figura 3.11.- Grfico de esfuerzos-103-

Los desplazamientos ms significativos de los elementos de la estructura se ubican en la parte central de la mesa de trabajo, como se puede ver en la figura 3.12.-

Figura 3.12.de desplazamientos

Grfico

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IV MONITOREO DE VARIABLES4.1.- TRANSDUCTORES 4.1.1.- DEFINICIN Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable fsica (por ejemplo, fuerza, presin, temperatura, velocidad, etc.) en otro. Los transductores pueden clasificarse en dos tipos bsicos, dependiendo de la forma de la seal convertida y estos dos tipos s