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VÁLVULAS INDUSTRIALES-ACTUADORES NEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS

DE LA CURZ DIAZ ELIANA MILAGROS POMA CANO DIEGO DAVID

VÁLVULAS INDUSTRIALES-ACTUADORES NEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS UNI-FIQT

INDICEPág.

1 SISTEMAS HIDRÁULICOS……………………………………………

3

2 VÁLVULAS INDUSTRIALES………………………………………….

12

3 ACTUADORES NEUMÁTICOS……………………………………..

55

4 ACTUADORES HIDRÁULICOS……………………………………..

101

1 CONTROLES ELÉCTRICOS Y AUTOMATIZACIÓN


I. SISTEMAS HIDRÁULICOS1.1 INTRODUCCIÓN

Hidráulica significa la creación de fuerzas y movimientos mediante fluidos sometidos a presión. Los fluidos sometidos a presión son el medio para la transmisión de energía.

El estudio de la hidráulica industrial comenzó a finales del siglo XVII cuando Pascal formuló una ley que formaría la base fundamental de toda la ciencia hidráulica. El demostró que en un fluido en reposo, la presión es transmitida de igual manera en todas direcciones, en otras palabras "La presión existente en un líquido confinado actúa igualmente en todas direcciones y lo hace formando ángulos rectos con la superficie del recipiente". La figura 1.1 ilustra la Ley de Pascal.

Figura 1.1 Representación ley de Pascal

1.2 COMPONENTES DEL SISTEMA HIRÁULICO



Los componentes básicos de un sistema hidráulico son: bomba, filtro, recipiente de almacenamiento de aceite, válvulas, actuadores, fluido hidráulico, todos estos elementos son unidos o conectados entre sí por medio de tubos y mangueras.

1.1.1 Bomba hidráulica

Los bombas hidráulicas (figura 1.2) convierten la energía mecánica transmitida por un motor primario (motor eléctrico, motor de combustión interna, etc.) en energía hidráulica. La acción de bombear es la misma para todas las bombas. Se genera un volumen creciente en el lado de la succión y un volumen decreciente en el lado de la presión. En un sistema hidráulico industrial, el tipo de bomba que se usa es de desplazamiento positivo, como son las bombas de paletas, engranes y pistones.

Figura 1.2 Bomba hidráulica

1.1.2 VálvulasLas válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por una bomba



hidráulica. Una válvula es un dispositivo mecánico que consiste de un cuerpo y una pieza móvil, que conecta y desconecta conductos dentro del cuerpo. Según su función las válvulas pueden dividirse en: válvulas distribuidoras, válvulas de bloqueo, válvulas de presión, válvulas de caudal, válvulas de cierre.

1.2.2.1 Válvulas Reguladoras de Caudal

Las aplicaciones de los reguladores de caudal (también reguladores de flujo) no están limitadas a la reducción de la velocidad de los cilindros o actuadores en general, pues además tienen gran aplicación en accionamientos retardados, temporizaciones, impulsos, etc. Los reguladores de caudal pueden se unidireccionales y bidireccionales.

1.2.2.2 Válvula de aguja

En la figura 5.3 observamos una válvula de aguja. Después de entrar en el cuerpo de una válvula de aguja, el flujo gira 90° y pasa a través de una abertura que es el asiento de la punta cónica de una barra cilíndrica. En este caso el tamaño del orificio se regula variando la posición relativa de la punta cónica respecto a su asiento. La válvula de aguja es el orificio variable que se usa con mayor frecuencia en los sistemas industriales.



Figura 1.3 Válvula de aguja

1.1.3 Cilindros HidráulicosEn cualquier aplicación la energía hidráulica disponible deberá transformarse en energía mecánica para realizar un trabajo. Los cilindros hidráulicos son los encargados de transformar la energía hidráulica a energía mecánica lineal.En el caso de los cilindros de simple efecto figura 5.4, la presión solo actúa sobre el émbolo. En consecuencia el cilindro solamente puede trabajar en un sentido. Estos cilindros funcionan de la siguiente manera: el fluido sometido a presión entra en la cámara del lado del émbolo, en el émbolo se creó una presión por efecto de la contrafuerza (carga por peso), una vez superada esta fuerza el cilindro avanza hasta el final de carrera. Durante el movimiento de retroceso, la cámara del lado del émbolo está conectada con el tanque a través de la tubería y la válvula. El retroceso se produce por el propio peso y por acción del resorte.




1.1.4 FluidoEn principio, cualquier líquido es apropiado para transmitir energía de presión. No obstante, el líquido utilizado en un sistema hidráulico tiene que cumplir ciertas funciones: transmitir la presión, lubricar las partes móviles de los equipos, disipar el calor producto de la transformación de energía, amortiguar vibraciones causadas por picos de presión, proteger ante corrosión, eliminar partículas abrasiva, además de utilizar líquidos difícilmente inflamables . Los aceites elaborados con aceites minerales, cumplen con todos los requisitos antes mencionados y por esto son los más utilizados en la industria.

1.1.5 Sistema de enderezado de Chasis en FríoEl principio del sistema de enderezado de chasis es el de crear esfuerzos y momentos en la estructura del chasis para enderezarlo. Estos esfuerzos son creados con fuerzas hidráulicas producidas por cilindros colocados en torres como las ilustradas en la figura 1.5




1.1.6 Sistema Hidráulico con controlador difuso

Para poder utilizar el sistema de enderezado de chasis actualmente instalado, con el control diseñado en este trabajo, se tendrían que realizar algunas modificaciones en el sistema hidráulico para que el PLC pudiera interactuar con los actuadores del sistema. A continuación se muestra las características de los elementos que se proponen:

1.1.6.1 Bomba eléctrica

Se propone utilizar una bomba eléctrica modelo ZU4 diseñada para manejarse remotamente a través de una válvula solenoide, tiene un motor universal de 1 fase, es ideal para cilindros de simple efecto de tamaño mediano o grande y permite tener un ciclo de trabajo con aplicaciones intermitentes. Las características de esta bomba se encuentran en la Tabla 1.1, y el diagrama de flujo relacionando el caudal con la presión se puede observar



Tabla 1.1 Características de la bomba

Figura 1.6 Características de la bomba

1.1.6.2 Válvulas modulares seleccionadas por solenoide

Se propone una válvula VEF-11150-B (figura 1.7), es una válvula 3/3, estas válvulas permiten controlar cilindros de simple acción y permiten tener 3 posiciones: avance, retracción del cilindro y retención, cuentan con una válvula de alivio para proteger al sistema hidráulico. Con una configuración central en tándem, la cual permite un movimiento mínimo o la anulación del movimiento del cilindro y la descarga de



la bomba, generando así una mínima acumulación de calor. En la figura 1.8 se muestra una gráfica que relaciona la caída de presión vs caudal de aceite.

Figura 1.7 Válvula VEF-11150-B

Figura 1.8 Caída de presión vs. Caudal de aceite

En los siguientes diagramas se muestra el circuito hidráulico con los elementos que se propusieron anteriormente. Cuando el PLC mande la señal a la electroválvula esta cambiará de la posición de inicio



tándem a la que se muestra en la figura 1.9 y el cilindro avanzará, la válvula mantendrá esta posición mientras que la señal esté activa en S1, cuando se deje de mandar regresará a la posición inicial la del centro y mantendrá en retención al cilindro (figura 1.10). Cuando se necesite regresar el cilindro el PLC activará la señal a S2 (figura 1.11) y el fluido regresará al tanque haciendo retroceder al cilindro.

Figura 1.9 Avance del cilindro



Figura 1.10 Retención del cilindro Figura 1.11 Retroceso del cilindro



II. VÁLVULAS INDUSTRIALES2.1 DEFINICIÓN

Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.Las válvulas son unos de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9 m) o más de diámetro. Pueden trabajar con presiones que van desde el vació hasta más de 20000 lb/in² (140 Mpa) y temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C). En algunas instalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen importancia.La palabra flujo expresa el movimiento de un fluido, pero también significa para nosotros la cantidad total de fluido que ha pasado por una sección de terminada de un conducto. Caudal es el flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de fluido que circula por una sección determinada del conducto en la unidad de tiempo.

2.2 VÁLVULA DE CONTROL

La válvula automática de control generalmente constituye el último elemento en un lazo de control instalado en la línea de proceso y se comporta como un orificio cuya sección de paso varia continuamente con la finalidad de controlar un caudal en una forma determinada.

2.2.1 PARTES DE LA VÁLVULA DE CONTROL.



Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son: la parte motriz o actuador y el cuerpo.

Actuador: el actuador también llamado accionador o motor, puede ser neumático, eléctrico o hidráulico, pero los más utilizados son los dos primeros, por ser las más sencillas y de rápida actuaciones. Aproximadamente el 90% de las válvulas utilizadas en la industria son accionadas neumáticamente. Los actuadores neumáticos constan básicamente de un diafragma, un vástago y un resorte tal como se muestra en la figura (1-a.). Lo que se busca en un actuador de tipo neumático es que cada valor de la presión recibida por la válvula corresponda una posición determinada del vástago. Teniendo en cuenta que la gama usual de presión es de 3 a 15 lbs/pulg² en la mayoría de los actuadores se selecciona el área del diafragma y la constante del resorte de tal manera que un cambio de presión de 12 lbs/pulg², produzca un desplazamiento del vástago igual al 100% del total de la carrera.

Figura 2-a Actuador de una válvula de control.



Cuerpo de la válvula: este está provisto de un obturador o tapón, los asientos del mismo y una serie de accesorios. La unión entre la válvula y la tubería puede hacerse por medio de bridas soldadas o roscadas directamente a la misma. El tapón es el encargado de controlar la cantidad de fluido que pasa a través de la válvula y puede accionar en la dirección de su propio eje mediante un movimiento angular. Esta unido por medio de un vástago al actuador.

2.2.2 CATEGORÍAS DE VÁLVULAS.

Debido a las diferentes variables, no puede haber una válvula universal; por tanto, para satisfacer los cambiantes requisitos de la industria se han creado innumerables diseños y variantes con el paso de los años, conforme se han desarrollado nuevos materiales. Todos los tipos de válvulas recaen en nueve categorías: válvulas de compuerta, válvulas de globo, válvulas de bola, válvulas de mariposa, válvulas de apriete, válvulas de diafragma, válvulas de macho, válvulas de retención y válvulas de desahogo (alivio).

Estas categorías básicas se describen a continuación. Sería imposible mencionar todas las características de cada tipo de válvula que se fabrica y no se ha intentado hacerlo. Más bien se presenta una descripción general de cada tipo en un formato general, se dan recomendaciones para servicio, aplicaciones, ventajas, desventajas y otra información útil para el lector.

2.2.2.1 Válvulas de compuerta.

La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento (fig. 2-1).



Figura 2-1 Válvula de compuerta.

Recomendada para

Servicio con apertura total o cierre total, sin estrangulación. Para uso poco frecuente. Para resistencia mínima a la circulación. Para mínimas cantidades de fluido o liquido atrapado en la tubería.

Aplicaciones

Servicio general, aceites y petróleo, gas, aire, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases y líquidos no condensables, líquidos corrosivos.

Ventajas

Alta capacidad. Cierre hermético. Bajo costo. Diseño y funcionamiento sencillos.



Poca resistencia a la circulación.

Desventajas

Control deficiente de la circulación. Se requiere mucha fuerza para accionarla. Produce cavitación con baja caída de presión. Debe estar cubierta o cerrada por completo. La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco.

Variaciones

Cuña maciza, cuña flexible, cuña dividida, disco doble. Materiales Cuerpo: bronce, hierro fundido, hierro, acero forjado, Monel, acero fundido, acero inoxidable, plástico de PVC. Componentes diversos.

Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento

Lubricar a intervalos periódicos. Corregir de inmediato las fugas por la empaquetadura. Enfriar siempre el sistema al cerrar una tubería para líquidos calientes y al comprobar que las válvulas estén cerradas. No cerrar nunca las llaves a la fuerza con la llave o una palanca. Abrir las válvulas con lentitud para evitar el choque hidráulico en la tubería. Cerrar las válvulas con lentitud para ayudar a descargar los sedimentos y mugre atrapados.

Especificaciones para el pedido

Tipo de conexiones de extremo. Tipo de cuña.



Tipo de asiento. Tipo de vástago. Tipo de bonete. Tipo de empaquetadura del vástago. Capacidad nominal de presión para operación y diseño. Capacidad nominal de temperatura para operación y diseño.

2.2.2.2 Válvulas de macho

La válvula de macho es de ¼ de vuelta, que controla la circulación por medio de un macho cilíndrico o cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la posición abierta a la cerrada mediante un giro de 90° (fig. 2-2).

Figura 2-2 Válvula de macho.

Recomendada para



Servicio con apertura total o cierre total. Para accionamiento frecuente. Para baja caída de presión a través de la válvula. Para resistencia mínima a la circulación. Para cantidad mínima de fluido atrapado en la tubería.

Aplicaciones

Servicio general, pastas semilíquidas, líquidos, vapores, gases, corrosivos. Ventajas Alta capacidad. Bajo costo. Cierre hermético. Funcionamiento rápido.

Desventajas

Requiere alta torsión (par) para accionarla. Desgaste del asiento. Cavitación con baja caída de presión.

Variaciones

Lubricada, sin lubricar, orificios múltiples. Materiales Hierro, hierro dúctil, acero al carbono, acero inoxidable, aleación 20, Monel, níquel, Hastelloy, camisa de plástico.


Dejar espacio libre para mover la manija en las válvulas accionadas con una llave.



En las válvulas con macho lubricado, hacerlo antes de ponerlas en servicio. En las válvulas con macho lubricado, lubricarlas a intervalos periódicos.

Especificaciones para pedido

Material del cuerpo. Material del macho. Capacidad nominal de temperatura. Disposición de los orificios, si es de orificios múltiples. Lubricante, si es válvula lubricada.

2.2.2.3. Válvulas de globo

Una válvula de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o tapón que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulación en la tubería (fig. 2-3).



Figura 2-3 Válvula de globo.

Recomendada para

Estrangulación o regulación de circulación. Para accionamiento frecuente. Para corte positivo de gases o aire. Cuando es aceptable cierta resistencia a la circulación.

Aplicaciones

Servicio general, líquidos, vapores, gases, corrosivos, pastas semilíquidas.Ventajas Estrangulación eficiente con estiramiento o erosión mínimos del disco o asiento. Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y desgaste en el vástago y el bonete.



Control preciso de la circulación. Disponible con orificios múltiples.

Desventajas

Gran caída de presión. Costo relativo elevado.

Variaciones

Normal (estándar), en "Y", en ángulo, de tres vías.

Materiales

Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, plásticos.Componentes: diversos.


Instalar de modo que la presión este debajo del disco, excepto en servicio con vapor a alta temperatura.

Registro en lubricación.

Hay que abrir ligeramente la válvula para expulsar los cuerpos extraños del asiento.Apretar la tuerca de la empaquetadura, para corregir de inmediato las fugas por la empaquetadura.


Tipo de conexiones de extremo. Tipo de disco. Tipo de asiento. Tipo de vástago. Tipo de empaquetadura o sello del vástago. Tipo de bonete. Capacidad nominal para presión. Capacidad nominal para temperatura.



2.2.2.4 Válvulas de bola

Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto (fig. 2-4).

Figura 2-4 Válvula de bola.Recomendada para

Para servicio de conducción y corte, sin estrangulación. Cuando se requiere apertura rápida. Para temperaturas moderadas. Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación.

Aplicaciones

Servicio general, altas temperaturas, pastas semilíquidas.Ventajas

Bajo costo. Alta capacidad. Corte bidireccional. Circulación en línea recta. Pocas fugas. Se limpia por si sola. Poco mantenimiento.



No requiere lubricación. Tamaño compacto. Cierre hermético con baja torsión (par).

Desventajas Características deficientes para estrangulación. Alta torsión para accionarla. Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras. Propensa a la cavitación.

Variaciones

Entrada por la parte superior, cuerpo o entrada de extremo divididos (partidos), tres vías, Venturi, orificio de tamaño total, orificio de tamaño reducido.

Materiales

Cuerpo: hierro fundido, hierro dúctil, bronce, latón, aluminio, aceros al carbono, aceros inoxidables, titanio, tántalo, zirconio; plásticos de polipropileno y PVC.Asiento: TFE, TFE con llenador, Nylon, Buna-N, neopreno.


Dejar suficiente espacio para accionar una manija larga.


Temperatura de operación. Tipo de orificio en la bola. Material para el asiento. Material para el cuerpo. Presión de funcionamiento. Orificio completo o reducido.



Entrada superior o entrada lateral.

2.2.2.5. Válvulas de mariposa

La válvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco circular, con el eje de su orificio en ángulos rectos con el sentido de la circulación (fig. 2-5).

Figura 2-5 Válvula de mariposa.Recomendada para

Servicio con apertura total o cierre total. Servicio con estrangulación. Para accionamiento frecuente. Cuando se requiere corte positivo para gases o líquidos. Cuando solo se permite un mínimo de fluido atrapado en la tubería. Para baja ciada de presión a través de la válvula.

Aplicaciones



Servicio general, líquidos, gases, pastas semilíquidas, líquidos con sólidos en suspensión.

Ventajas

Ligera de peso, compacta, bajo costo. Requiere poco mantenimiento. Número mínimo de piezas móviles. No tiene bolas o cavidades. Alta capacidad. Circulación en línea recta. Se limpia por si sola.

Desventajas

Alta torsión (par) para accionarla. Capacidad limitada para caída de presión. Propensa a la cavitación.

Variaciones

Disco plano, disco realzado, con brida, atornillado, con camisa completa, alto rendimiento.

MaterialesCuerpo: hierro, hierro dúctil, aceros al carbono, acero forjado, aceros inoxidables, aleación 20, bronce, Monel.Disco: todos los metales; revestimientos de elastómeros como TFE, Kynar, Buna-N, neopreno, Hypalon.Asiento: Buna-N, viton, neopreno, caucho, butilo, poliuretano, Hypalon, Hycar, TFE.


Se puede accionar con palanca, volante o rueda para cadena.Dejar suficiente espacio para el movimiento de la manija, si se acciona con palanca.



Las válvulas deben estar en posición cerrada durante el manejo y la instalación.


Tipo de cuerpo. Tipo de asiento. Material del cuerpo. Material del disco. Material del asiento. Tipo de accionamiento. Presión de funcionamiento. Temperatura de funcionamiento.

2.2.2.6 Válvulas de diafragma

Las válvulas de diafragma son de vueltas múltiples y efectúan el cierre por medio de un diafragma flexible sujeto a un compresor. Cuando el vástago de la válvula hace descender el compresor, el diafragma produce sellamiento y corta la circulación (fig. 2-6).

Figura 2-6 Válvula de diafragma.

Recomendada para

Servicio con apertura total o cierre total. Para servicio de estrangulación. Para servicio con bajas presiones de operación.



Aplicaciones

Fluidos corrosivos, materiales pegajosos o viscosos, pastas semilíquidas fibrosas, lodos, alimentos, productos farmacéuticos.

Ventajas

Bajo costo. No tienen empaquetaduras. No hay posibilidad de fugas por el vástago. Inmune a los problemas de obstrucción, corrosión o formación de gomas en los productos que circulan.

Desventajas

Diafragma susceptible de desgaste. Elevada torsión al cerrar con la tubería llena.

Variaciones

Tipo con vertedero y tipo en línea recta. Materiales Metálicos, plásticos macizos, con camisa, en gran variedad de cada uno.


Lubricar a intervalos periódicos.No utilizar barras, llaves ni herramientas para cerrarla.


Material del cuerpo. Material del diafragma. Conexiones de extremo. Tipo del vástago. Tipo del bonete. Tipo de accionamiento.



Presión de funcionamiento. Temperatura de funcionamiento.

2.2.2.7 Válvulas de apriete

La válvula de apriete es de vueltas múltiples y efectúa el cierre por medio de uno o más elementos flexibles, como diafragmas o tubos de caucho que se pueden apretar u oprimir entre si para cortar la circulación (fig. 2-7).

Figura 2-7 Válvula de apriete.

Recomendada para

Servicio de apertura y cierre. Servicio de estrangulación. Para temperaturas moderadas. Cuando hay baja caída de presión a través de la válvula. Para servicios que requieren poco mantenimiento.



Aplicaciones

Pastas semilíquidas, lodos y pastas de minas, líquidos con grandes cantidades de sólidos en suspensión, sistemas para conducción neumática de sólidos, servicio de alimentos.

Ventajas

Bajo costo. Poco mantenimiento. No hay obstrucciones o bolsas internas que la obstruyan. Diseño sencillo. No corrosiva y resistente a la abrasión.

Desventajas

Aplicación limitada para vacio. Difícil de determinar el tamaño.

Variaciones

Camisa o cuerpo descubierto; camisa o cuerpo metálicos alojados.MaterialesCaucho, caucho blanco, Hypalon, poliuretano, neopreno, neopreno blanco, Buna-N, Buna-S, Viton A, butilo, caucho de siliconas, TFE.


Los tamaños grandes pueden requerir soportes encima o debajo de la tubería, si los soportes para el tubo son inadecuados.


Presión de funcionamiento. Temperatura de funcionamiento.



Materiales de la camisa. Camisa descubierta o alojada.

2.2.2.8 Válvulas de retención (check) y de desahogo (alivio)

Hay dos categorías de válvulas y son para uso específico, más bien que para servicio general: válvulas de retención (check) y válvulas de desahogo (alivio). Al contrario de los otros tipos descritos, son válvulas de accionamiento automático, funcionan sin controles externos y dependen para su funcionamiento de sentido de circulación o de las presiones en el sistema de tubería. Como ambos tipos se utilizan en combinación con válvulas de control de circulación, la selección de la válvula, con frecuencia, se hace sobre la base de las condiciones para seleccionar la válvula de control de circulación.

Válvulas de retención (check)

La válvula de retención (fig. 2-8) está destinada a impedir una inversión de la circulación. La circulación del líquido en el sentido deseado abre la válvula; al invertirse la circulación, se cierra. Hay tres tipos básicos de válvulas de retención: 1) válvulas de retención de columpio, 2) de elevación y 3) de mariposa.

Válvulas de retención del columpio.

Esta válvula tiene un disco embisagrado o de charnela que se abre por completo con la presión en la tubería y se cierra cuando se interrumpe la presión y empieza la circulación inversa. Hay dos diseños: uno en "Y" que tiene una abertura de acceso en el cuerpo para el esmerilado fácil del disco sin desmontar la válvula de la



tubería y un tipo de circulación en línea recta que tiene anillos de asiento reemplazables.

Recomendada para

Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación. Cuando hay cambios poco frecuentes del sentido de circulación en la tubería. Para servicio en tuberías que tienen válvulas de compuerta. Para tuberías verticales que tienen circulación ascendente.

Aplicaciones

Para servicio con líquidos a baja velocidad.

Ventajas

Puede estar por completo a la vista. La turbulencia y las presiones dentro de la válvula son muy bajas. El disco en "Y" se puede esmerilar sin desmontar la válvula de la tubería.

Variaciones

Válvulas de retención con disco inclinable.

Materiales

Cuerpo: bronce, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero fundido, acero inoxidable, acero al carbono.Componentes: diversos.




En las tuberías verticales, la presión siempre debe estar debajo del asiento. Si una válvula no corta el paso, examinar la superficie del asiento. Si el asiento está dañada o escoriado, se debe esmerilar o reemplazar. Antes de volver a armar, limpiar con cuidado todas las piezas internas.

2.2.2.9 Válvulas de retención de elevación

Una válvula de retención de elevación es similar a la válvula de globo, excepto que el disco se eleva con la presión normal de la tubería y se cierra por gravedad y la circulación inversa.

Figura 2-8 Válvula de retención (tipo de elevación).

Recomendada para

Cuando hay cambios frecuentes de circulación en la tubería.

Para uso con válvulas de globo y angulares. Para uso cuando la caída de presión a través de la

válvula no es problema.32 CONTROLES ELÉCTRICOS Y AUTOMATIZACIÓN


Aplicaciones

Tuberías para vapor de agua, aire, gas, agua y vapores con altas velocidades de circulación.

Ventajas

Recorrido mínimo del disco a la posición de apertura total. Acción rápida.

Variaciones

Tres tipos de cuerpos: horizontal, angular, vertical.Tipos con bola (esfera), pistón, bajo carga de resorte, retención para vapor.

Materiales

Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, PVC, Penton, grafito impenetrable, camisa de TFE.Componentes: diversos.


La presión de la tubería debe estar debajo del asiento. La válvula horizontal se instala en tuberías horizontales. La válvula vertical se utiliza en tubos verticales con circulación ascendente, desde debajo del asiento. Si hay fugas de la circulación inversa, examinar disco y asiento.

2.2.3.0 Válvula de retención de mariposa



Una válvula de retención de mariposa tiene un disco dividido embisagrado en un eje en el centro del disco, de modo que un sello flexible sujeto al disco este a 45° con el cuerpo de la válvula, cuando esta se encuentra cerrada. Luego, el disco solo se mueve una distancia corta desde el cuerpo hacia el centro de la válvula para abrir por completo.

Recomendada para

Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación en la tubería. Cuando hay cambios frecuentes en el sentido de la circulación. Para uso con las válvulas de mariposa, macho, bola, diafragma o de apriete.

Aplicaciones

Servicio para líquidos o gases.

Ventajas

El diseño del cuerpo se presta para la instalación de diversos tipos de camisas de asiento. Menos costosa cuando se necesita resistencia a la corrosión. Funcionamiento rápido. La sencillez del diseño permite construirlas con diámetros grandes. Se puede instalar virtualmente en cualquier posición.

Variaciones

Con camisa completa.Con asiento blando.

Materiales



Cuerpo: acero, acero inoxidable, titanio, aluminio, PVC, CPCB, polietileno, polipropileno, hierro fundido, Monel, bronce.Sello flexible: Buna-N, Viton, caucho de butilo, TFE, neopreno, Hypalon, uretano, Nordel, Tygon, caucho de siliconas.


En las válvulas con camisa, esta se debe proteger contra daños durante el manejo.Comprobar que la válvula queda instalada de modo que la abra la circulación normal.

2.2.3.1 Válvulas de desahogo (alivio)

Una válvula de desahogo (fig. 2-9) es de acción automática para tener regulación automática de la presión. El uso principal de esta válvula es para servicio no comprimible y se abre con lentitud conforme aumenta la presión, para regularla.La válvula de seguridad es similar a la válvula de desahogo y se abre con rapidez con un "salto" para descargar la presión excesiva ocasionada por gases o líquidos comprimibles.El tamaño de las válvulas de desahogo es muy importante y se determina mediante fórmulas específicas.



Figura 2-9 Válvula de desahogo (alivio).

Recomendada para

Sistemas en donde se necesita una gama predeterminada de presiones.

Aplicaciones

Agua caliente, vapor de agua, gases, vapores.

Ventajas

Bajo costo. No se requiere potencia auxiliar para la operación.

Variaciones

Seguridad, desahogo de seguridad.



Construcción con diafragma para válvulas utilizadas en servicio corrosivo.

Materiales

Cuerpo: hierro fundido, acero al carbono, vidrio y TFE, bronce, latón, camisa de TFE, acero inoxidable, Hastelloy, Monel.Componentes: diversos.


Se debe instalar de acuerdo con las disposiciones del Código ASME para recipientes de presión sin fuego.Se debe instalar en lugares de fácil acceso para inspección y mantenimiento.

2.2.3 MEDICIONES DE NIVEL

Nivel.

Es la distancia existente entre una línea de referencia y la superficie del fluido, generalmente dicha línea de referencia se toma como fondo del recipiente.

2.2.3.1 Métodos de medición.

Como se mencionó anteriormente el nivel es la variable que puede ser medida más fácilmente, pero existen otros factores, tales como viscosidad del fluido, tipo de medición deseada, presión, si el recipiente está o no presurizado, que traen como consecuencias que existan varios métodos y tipos de instrumentos medidores del nivel. El medidor de nivel seleccionado dependerá de nuestras necesidades o condiciones de operación.

Los métodos utilizados para la medición del nivel de líquidos, básicamente pueden ser clasificados en: Métodos de medición directa y método de medición indirecta.



A) MÉTODOS DE MEDICIÓN INDIRECTA

Método por medidores actuados por desplazadores

Estos tipos de instrumentos se utilizan generalmente para llevar la medición a sitios remotos o para el control de nivel, aunque también pueden utilizarse como un indicador directo. Están compuestos principalmente por un desplazador, una palanca y un tubo de torsión.La figura (a) muestra los componentes básicos de uno de estos medidores. Como podemos observar, el objetivo principal de estos componentes, es convertir el movimiento vertical del desplazador en un movimiento circular del tubo de torsión.

Figura (a)

El principio de funcionamiento se basa en el principio de Arquímedes y puede resumirse de la siguiente manera: el peso del desplazador ejerce una fuerza sobre el tubo de torsión, pero al subir el nivel, el desplazador



desplaza más líquido y este ejercerá una fuerza o empuje sobre el desplazador, el cual se vuelve más liviano. Esto trae como consecuencia que el tubo de torsión gire debido a la disminución de la torsión, que el desplazador ejerce sobre él. Este giro es aprovechado acoplándose una aguja, la cual indicara el nivel directamente.

Método de medidores actuados por presión hidrostática .

Al estudiar el objetivo referente a presión, deducimos un formula por la cual se estableció que la presión en cualquier punto debajo de la superficie del líquido, depende solamente de la profundidad a la cual se encuentre el punto en cuestión y el peso específico del líquido, es decir, que . Como se recordara, esta presión es conocida como presión hidrostática.Existen varios tipos de medidores de nivel que trabajan y operan bajo este principio, de los cuales los más comunes son:Sistema básico o Manómetro.

Entre los medidores de nivel actuados por presión hidrostática, el sistema básico o manómetro es el más sencillo. Consta solamente de un manómetro y en el caso de que el líquido cuyo nivel se desea medir, sea corrosivo o viscoso, es necesario, además del manómetro, un equipo de sello con la finalidad de aislar el instrumento de dicho fluido.El manómetro puede ser uno convencional, con la diferencia de que la escala en lugar de ser graduada en unidades de presión, es graduada en unidades de nivel.

Medidor de nivel mediante Presión Hidrostática



Método de diafragma-caja

La figura 2-10 muestra una caja de diafragma Foxboro. Esta caja se sumerge en el líquido que se va a medir, y un capilar lleno de aire se extiende desde ella hasta el instrumento. La deflexión del diafragma, que se produce por la altura del líquido, provoca que el aire que contiene el capilar se comprima. El instrumento que recibe el aire del capilar responde indicando la altura del líquido que está ejerciendo presión en el diafragma. La caja se construye en dos secciones, entre estas está colocado el diafragma de caucho, o de una composición sintética resistente al aceite.



Figura 2-10 Diafragma-caja medidor de nivel de líquidos

(Cortesía de Foxboro Co.).

Método de presión diferencial

Para la medición de niveles en tanques al vació o bajo presión pueden utilizarse los instrumentos de medición del flujo por métodos de presión diferencial. La única diferencia es que el instrumento dará una lectura inversa; es decir, cuando señale caudal cero en medidas de flujo, se leerá nivel máximo en medidas de nivel. Deben tomarse precauciones para obtener la correspondiente respuesta del instrumento. Por ejemplo, es posible utilizar medidores de rango compuesto. Como estos instrumentos están diseñados para permitir el flujo en ambas direcciones, es posible utilizarlos para mediciones de nivel de líquido, teniendo la posición de cero en el interior de la



gráfica, moviéndose la pluma hacia su borde con el aumento de nivel.El principio de funcionamiento se basa en aplicarle al instrumento la presión existente en la superficie del líquido en ambas conexiones con la finalidad de anularla y que la presión detectada, sea la presión hidrostática, la cual como se ha visto, la podemos representar en unidades de nivel.

Método de presión relativa

Las mediciones de nivel que se basan en la presión que ejerce un líquido por su altura, implican que la densidad sea constante. El instrumento se debe calibrar para una densidad específica y cualquier cambio en ella trae consigo errores de medición. El método más simple para medir el nivel de un líquido en un recipiente abierto, es conectar un medidor de presión por debajo del nivel más bajo que se va a considerar. Este nivel es, entonces, el de referencia y la presión estática indicada por el medidor es una medida de la altura de la columna del líquido sobre el medidor, y por lo tanto del nivel del líquido. El medidor de presión, cuando se usa para mediciones de nivel de líquidos, se calibra en unidades de presión, en unidades de nivel de líquido correspondientes a la gravedad específica del líquido, o en unidades volumétricas calculadas según las dimensiones del recipiente. También se puede calibrar de 0 a 100, lo que permite lecturas en términos de tanto por ciento de nivel máximo. Para que el medidor lea cero cuando el líquido está en su nivel mínimo, a través del elemento accionador debe haber una línea horizontal aproximadamente al mismo nivel que la línea de centros de la toma de la tubería de mínimo nivel. En el medidor se pueden usar tornillos de ajuste a cero para compensar pequeñas diferencias. Para controlar el límite, el medidor de presión puede ser un controlador, o puede estar ligado a un interruptor de presión. Cuando no se requiere una indicación de nivel, este último es suficiente.



Método de trampa de aire

Cuando no se puede usar un diafragma, se puede instalar una caja sin este. Esto requiere que el líquido se encuentre libre de sólidos, que pueden obstruir el capilar. El líquido, mientras sube en la caja comprime el aire del capilar y el instrumento da la respuesta correspondiente.

Método de equilibrio de presión de aire Este método se prefiere, normalmente, al de caja de diafragma si se dispone de aire o líquido para purga, aunque se puede aceptar un bombeo manual. Se puede aplicar ya sea desde lo alto del depósito o de las paredes laterales.

Método de duplicador de presión

Un ejemplo del tipo de duplicador de presión es el transmisor de nivel de líquidos fabricado por la Taylor Instruments Company, y que se muestra en la figura 2-11. Este convierte la presión de la altura del líquido en una señal de aire que se transmite a un instrumento medidor de presión como receptor. La vista de la sección transversal, muestra al transmisor en la posición en la que se monta en el fondo del tanque, con la columna de agua cargando sobre el diafragma. Una tubería suministra aire al medidor de nivel a una presión de 3 a 5 psi, más elevada que la correspondiente a la columna de líquido para nivel máximo. Otra tubería transmite la presión señal de nivel salida del medidor, a un receptor a distancia.

Figura 2-11 Transmisor de nivel de líquido



B) MÉTODOS DE MEDICIÓN DIRECTA

Método de medición de sonda.

Consiste en una varilla o regla graduada, de la longitud conveniente para introducirla dentro del depósito. La determinación del nivel se efectúa por lectura directa de la longitud mojada por el líquido. En el momento de la lectura el tanque debe estar abierto a presión atmosférica. Se utiliza generalmente en tanques de fuel oil o gasolina.

Medidor de sonda Método por aforación.

Es el método de medir nivel por medio de cintas. El instrumento está compuesto por tres partes principales que son: el carrete, la cinta graduada y un peso o plomada.La plomada sirve para que se mantenga la cinta tensa al penetrar en el líquido. Para medir el nivel se deja que la cinta baje lentamente hasta que la plomada toque el fondo del recipiente. Unas ves que la plomada toca el fondo se empieza a recoger la cinta con el carrete, hasta que aparezca la parte donde el líquido ha dejado la marca que indica su nivel.



Método indicador de cristal.

Otra forma simple y quizás la más común de medir el nivel, es por medio del indicador de cristal. Estos tipos de indicadores sirven para varias aplicaciones y se pueden utilizar tanto para recipientes abiertos como para cerrados.El indicador consiste de un tubo de vidrio, en el caso del indicador de bajas presiones y de un vidrio plano en el caso del indicador para altas presiones, montadas entre dos válvulas, las cuales se utilizan para sacar de servicio el indicador sin necesidad de parar el proceso.

Método de flotador-boya

Los instrumentos que utilizan un flotador-boya no dependen de la presión estática para medir el nivel de líquidos. De todos modos la presión estática debe tomarse en cuenta al proyectar el flotador; ya que siendo este hueco, ha de construirse lo suficientemente robusto como para soportarla sin deformarse.El flotador se suspende de una cinta sometida a leve tensión. Conforme aquel se desplaza arriba o abajo, siguiendo el nivel del líquido, arrastra la cinta la cual hace girar una rueda catalina. La figura 2-3, muestra un transmisor de nivel de líquido Shand & Jurs que acoplado a un captador como el descrito convierte la posición de flotador en impulsos eléctricos. Los pulsos representan la información de nivel y se transmiten a estaciones de control remotas, para su lectura.



Figura 2-12 Esquema de un transmisor de nivel de líquidos.

(Cortesía de Shand & Jurs).

2.2.3.2 Medidores de flujo

Flujo.

Es la cantidad de fluido que pasa a través de la sección por unidad de tiempo. Por ejemplo, en cierta tubería puede haber un régimen de flujo de 100 galones de agua por minuto. Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre pasan 100 galones de agua. Si se considera el numero de galones que van a pasar a partir de cierto momento, después de dos minutos 200 galones, etc. Si el régimen de flujo se mantiene con el mismo valor, después de cierto tiempo habrá pasado un número total de galones igual al régimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido; por ejemplo, después de 15 minutos habrán pasado 100 x 15 = 1.500 galones.Al contrario dividiendo el número total de galones entre el tiempo, se obtiene el régimen de flujo. En el ejemplo anterior 1.500/15 = 100 gal/min.



Unidades para medir cantidad de fluido.

La cantidad de cierto líquido, gas o vapor se puede medir en unidades de masa, y el régimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo, por ejemplo, en libras por hora. De hecho, en la práctica se utilizan dichas unidades, especialmente cuando se trata de vapor de agua.Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de volumen y el régimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo, por ejemplo, galones por minuto, barriles por día, pies cúbicos por hora. Generalmente la cantidad de agua se mide en galones a 60 °F, la de otros líquidos manejados en la industria del petróleo, en barriles a 60 °F; la cantidad de gas en pies cúbicos a 60 °F y 14.7 lb/plg.

Medidores especiales.

El medidor de flujo doble consta de dos manómetros que se montan en la parte posterior de un instrumento sencillo, siendo posible para ambos registrar sobre la misma gráfica. Este montaje es a veces muy útil para mantener condiciones de equilibrio entre dos caudales.El medidor de flujo de doble rango. Consiste en un captador de caudal conectado a dos tubos de rango, como se muestra en la figura 3-1 que representa la versión de las Taylor Instruments Company. Su propósito es contrarrestar la poca sensibilidad que presenta un captador de presión diferencial, en la parte baja de la escala de caudal. Para ello se disponen sobre el mismo captador dos cámaras de rango o escala; la primera actúa entre 0 y el 25 % del caudal y la otra lo hace entre el 25 % y el 100 %.



Figura 2-13 Vista posterior de un medidor de doble rango.(Cortesía de Taylor Instrument Co.)

Medidores mecánicos

Los captadores hasta ahora descritos transmiten el desplazamiento del flotador o la inclinación de la balanza tórica, por medio de juegos de palancas, levas, u otro dispositivo mecánico, a un eje que gira arrastrando la pluma del registrador. Este eje ha de salir al exterior atravesando la pared de la cámara del flotador, que esta bajo presión. Esto se consigue por medio de una chumacera o cojinete estanco que, para no falsear la medida ha de producir el mínimo rozamiento posible sobre el eje.

Medidores eléctricos

Se utilizan frecuentemente sistemas de medida de caudal con transmisión eléctrica, cuando el instrumento de medida o registro se localiza lejos del elemento primario. Para ello se dispone de varios métodos.El método de conductividad es utilizado por la Republic Flow Meters Company. Se utiliza la elevación del nivel



del mercurio en la rama de baja presión de un tubo U para variar la resistencia de un circuito eléctrico (fig. 3-2). La corriente eléctrica que fluye por este circuito será, por tanto, función de la presión diferencial aplicada al cuerpo medidor y en consecuencia función de la velocidad del fluido que atraviesa el elemento primario.

Figura 2-14 Esquema del método de conductividad.

Medidores de flujo de tipo retenLos captadores de caudal de este tipo utilizan un reten en lugar de la placa con orificio u otra restitución del flujo. Miden la fuerza con que la corriente fluida choca contra una superficie interpuesta en su camino, como se muestra en la figura 3-3, para un captador fabricado por la Foxboro Company. El retén, de forma circular y bordes afilados, apropiado para el margen de caudal a medir, se fija al extremo bajo de la barra de fuerza y queda exactamente centrado con la tubería.El empuje que el fluido ejerce sobre el retén tiende por medio de la barra de fuerza, a variar la distancia entre la tapa o paleta y la tobera, lo que provoca la variación de la presión de aire en el relevador, en los fuelles de retroalimentación y en la salida de señal hacia el receptor.



Figura 2-15 Medidor de reten (cortesía de Foxboro Co.).

Medidores de caudal de vertedero

Cuando el fluido se mueve en canales abiertos, se utilizan otros medios de medición. Generalmente se requiere algún tipo de vertedero o angostura, que proporcionan restricciones al paso del fluido. En la figura 3-4 se muestra un vertedero de compuerta cortada en V, que puede utilizarse hasta caudales de 6000 galones por minuto; la abertura rectangular de lazos se recomienda para caudales mayores. Cuando las pérdidas de altura deben ser mínimas o si el líquido medio contiene considerables cantidades de sólidos, sedimentos, etc., se prefiere una angostura. Una de las formas que más se utiliza es la angostura Parshall que se muestra en la figura 3-5.



Figura 2-16 Instalación de angostura Parshall. (Cortesía de Foxboro Co.)

Figura 2-17 Vertedero cortado en V. El corte rectangular se muestra con líneas punteadas.

(Cortesía de Foxboro Co.)

Medidores de flujo de desplazamiento positivo



Los medidores de desplazamiento positivo son esencialmente instrumentos de cantidad de flujo. Se utilizan frecuentemente para medida de líquidos en procesos discontinuos. Para procesos continuos se prefieren los instrumentos de caudal.El instrumento de desplazamiento positivo, toma una cantidad o porción definida del flujo, y la conduce a través de un medidor, luego produce con la siguiente torsión y así sucesivamente. Contando las porciones pasadas por el medidor se obtiene la cantidad total pasada por este. La exactitud de los medidores de desplazamiento positivo es alta, generalmente entre 0,1 y 1 %.

Medidores de corrientes de fluido

Estos medidores tienen una hélice u otro elemento giratorio, que es accionado por la corriente de fluido y transmite su movimiento, por engranajes, al contador. Miden la velocidad del fluido y la corriente en medidas de flujo. La figura 3-6 muestra el medidor sparling accionado magnéticamente: fabricado por Hersey-Sparling Meter Co., y del que se dispone de modelos para medidas de flujo en tuberías desde 12,25 hasta 61 cm. También se dispone de otros tipos de medidores para tuberías hasta 183 cm. Una de las ventajas de estos aparatos es la pequeña caída de presión que provocan; por ejemplo, en líneas de tubería de 20,3 cm o más, la perdida es generalmente menor que 7,6 cm de columna de agua, a velocidades normales. Generalmente el propulsor ocupa aproximadamente ocho décimas partes del diámetro de la tubería y se disponen de estas paletas rectas con el fin de reducir la tubería y asegurar un flujo suave a través del propulsor.

Medidores de flujo ultrasónicos

El medidor de flujo que fabrica la Gulton Industries, responde a la deflexión de las ondas ultrasónicas



transmitidas a través de una corriente fluida. Un transmisor que genera sonido ultrasónico, se monta en el exterior de una tubería colocando a distancias determinadas, aguas arriba y abajo, sendos receptores de ultrasonidos opuestos al emisor. En condiciones de no-flujo, ambos receptores reciben igual cantidad de energía ultrasónica y generan tensiones iguales. En condiciones de flujo (en cualquier sentido) las ondas ultrasónicas se deflectan y como resultado los receptores generan voltajes distintos. Comparando ambos voltajes, se tiene indicación del sentido y la magnitud del flujo.

Medidores de masa de flujo

Los medidores de masa de flujo diferentes de los demás en que miden directamente el peso del flujo y no su volumen. El medidor de masa de flujo de la General Eléctrica mide flujos gaseosos o líquidos, por ejemplo, expresándolos directamente en libras y, por tanto no le afectan las variaciones de presión, temperatura ni densidad del fluido. La unidad completa incluye cuatro componentes básicos: el elemento sensible a la velocidad del flujo, el mecanismo del giroscopio integrador, el registrador ciclométrico y el accionador de contactos.



III. ACTUADORES NEUMÁTICOS

3.1 INTRODUCCIÓN

En esta unidad se explican detalladamente los diferentes tipos de actuadores, tanto los lineales como los de movimiento giratorio, prestando especial atención a su construcción interna, funcionamiento y campo de aplicación más usual.

También se describen todos los cálculos necesarios para la elección de un actuador para las condiciones de trabajo que nosotros le marquemos. Es de suma importancia el conocimiento de dichos actuadores, ya que esto nos permitirá realizar la selección más adecuada a nuestras necesidades. No obstante, no podemos olvidar que la neumática es un campo en evolución constante por lo que este módulo sólo pretende ser un compendio de los actuadores clásicos más usuales.

Para una mayor información acerca las novedades en actuadores recomendaremos la consulta de catálogos comerciales actualizados.

ACTUADORES NEUMÁTICOS

El trabajo realizado por un actuador neumático puede ser lineal o rotativo. El movimiento lineal se obtiene por cilindros de émbolo (éstos también proporcionan movimiento rotativo con variedad de ángulos por medio de actuadores del tipo piñón-cremallera).

También encontramos actuadores neumáticos de rotación continua (motores neumáticos), movimientos combinados e incluso alguna transformación mecánica de movimiento que lo hace parecer de un tipo especial.



3.2. ACTUADORES LINEALES

Los cilindros neumáticos independientemente de su forma constructiva, representan los actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos. Existen dos tipos fundamentales de los cuales derivan construcciones especiales.

Cilindros de simple efecto, con una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido.

Cilindros de doble efecto, con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso. Más adelante se describen una gama variada de cilindros con sus correspondientes símbolos.

3.2.1. CILINDROS DE SIMPLE EFECTO

Un cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo sólo en un sentido. El émbolo se hace retornar por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como cargas, movimientos mecánicos, etc. Puede ser de tipo "normalmente dentro" o "normalmente fuera".



Figura 3.2. Cilindro de simple efecto tipo "dentro"

Los cilindros de simple efecto se utilizan para sujetar, marcar, expulsar, etc.

Tienen un consumo de aire algo más bajo que un cilindro de doble efecto de igual tamaño. Sin embargo, hay una reducción de impulso debida a la fuerza contraria del resorte, así que puede ser necesario un diámetro interno algo más grande para conseguir una misma fuerza. También la adecuación del resorte tiene como consecuencia una longitud global más larga y una longitud de carrera limitada, debido a un espacio muerto.



La variedad constructiva de los cilindros de simple efecto es muy importante, pero todos ellos presentan la misma mecánica de trabajo. Se muestran a continuación algunos ejemplos de los mismos:



Como se puede observar, los fabricantes ofertan soluciones para casi todas las necesidades que se puedan presentar en el diseño del automatismo neumático. Conviene repasar la gama genérica de actuadores de los principales fabricantes.

La simbología neumática no suele representar las características mecánicas de un componente sino tan sólo su principio de funcionamiento y por tanto su aplicación.

3.2.2. CILINDROS DE DOBLE EFECTO

Los cilindros de doble efecto son aquellos que realizan tanto su carrera de avance como la de retroceso por acción del aire comprimido. Su denominación se debe a que emplean las dos caras del émbolo (aire en ambas cámaras), por lo que estos componentes sí que pueden realizar trabajo en ambos sentidos.

Sus componentes internos son prácticamente iguales a los de simple efecto, con pequeñas variaciones en su construcción. Algunas de las más notables las encontramos en la culata anterior, que ahora ha de tener un orificio roscado para poder realizar la inyección de aire comprimido (en la disposición de simple efecto este orificio no suele prestarse a ser conexionado, siendo su función la comunicación con la atmósfera con el fin de



que no se produzcan contrapresiones en el interior de la cámara).

El perfil de las juntas dinámicas también variará debido a que se requiere la estanqueidad entre ambas cámaras, algo innecesario en la disposición de simple efecto.

El campo de aplicación de los cilindros de doble efecto es mucho más extenso que el de los de simple, incluso cuando no es necesaria la realización de esfuerzo en ambos sentidos. Esto es debido a que, por norma general (en función del tipo de válvula empleada para el control), los cilindros de doble efecto siempre contienen aire en una de sus dos cámaras, por lo que se asegura el posicionamiento.

El concepto queda más claro con un ejemplo:



Imaginemos que una carga se coloca en el extremo del vástago de un cilindro, el cual ha sido montado con una disposición vertical. Cuando el vástago del cilindro tenga que encontrarse en mínima posición podemos encontrarnos 2 casos:

Cilindro de doble efecto: el vástago mantiene la mínima posición debido a que ésta se encuentra en ella debido a la presión introducida en la cámara. La carga se encuentra en posición correcta. La disposición escogida es satisfactoria.

Cilindro de simple efecto: al no asegurar la posición mediante aire, el propio peso de la carga vencerá la fuerza del muelle de recuperación, por lo que el vastago será arrastrado a la máxima posición. La carga no se encuentra en posición correcta y se hace evidente la mala disposición escogida.

Para poder realizar un determinado movimiento (avance o retroceso) en un actuador de doble efecto, es preciso que entre las cámaras exista una diferencia de presión. Por norma general, cuando una de las cámaras recibe aire a presión, la otra está comunicada con la atmósfera, y viceversa. Este proceso de conmutación de aire entre



cámaras nos ha de preocupar poco, puesto que es realizado automáticamente por la válvula de control asociada (disposiciones de 4 ó 5 vías con 2 ó 3 posiciones).

En definitiva, podemos afirmar que los actuadores lineales de doble efecto son los componentes más habituales en el control neumático. Esto es debido a:

■ Se tiene la posibilidad de realizar trabajo en ambos sentidos (carreras de avance y retroceso).■ No se pierde fuerza en el accionamiento debido a la inexistencia de muelle en oposición.■ Para una misma longitud de cilindro, la carrera en doble efecto es mayor que en disposición de simple, al no existir volumen de alojamiento.

No debemos olvidar que estos actuadores consumen prácticamente el doble que los de simple efecto, al necesitar inyección de aire comprimido para producir tanto la carrera de avance como la de retroceso. También presentan un pequeño desfase entre fuerzas y velocidades en las carreras, aspecto que se detalla a continuación.

3.2.2.2. DESFASE FUERZA / VELOCIDAD

En los actuadores lineales de doble efecto, se produce un desfase entre la fuerza provocada a la salida y a la entrada del vástago, y lo mismo ocurre con la velocidad. Este efecto se debe a la diferencia que hay entre los volúmenes de las cámaras formadas (en consecuencia, del volumen ocupado por el vástago del cilindro).

Cuando aplicamos aire en la cámara que fuerza la salida del vástago, éste actúa sobre una superficie conocida, que denominamos Ai. Es conocido que el valor de la fuerza provocada responde a la fórmula:



Así pues, para calcular el valor de la fuerza de salida, realizaríamos la siguiente operación:

Para el cálculo de la fuerza provocada en el retroceso, aplicaremos la misma fórmula y valor de presión, pero deberemos tener en cuenta que el área sobre la cual se aplica ya no es A1, sino A1 menos el área del vástago (ya que ésta no es efectiva). Nosotros la denominaremos A2.

Con esto tenemos que:

Como podemos deducir, a igualdad de valor de presión, y debido a la desigualdad de áreas, el valor de la fuerza de salida (F1) es mayor que el valor de la fuerza de retroceso (F2).

Este mismo efecto es aplicable a la velocidad para el vástago, ya que si el volumen de la cámara de retorno es menor, para una igualdad de caudal le costará menos llenarse, y por ello la velocidad de retorno será mayor.

En consecuencia podemos afirmar que en los actuadores de doble efecto, para igualdad de presión y caudal:



• La velocidad de retorno es mayor que la de avance.• La fuerza provocada a la salida es mayor que la fuerza de retorno.

Los desfases comentados pueden corregirse fácilmente mediante la utilización de cilindros de doble vástago. Éstos disponen de vástago a ambos lados del émbolo, consiguiendo así igualdad entre las áreas de acción y volúmenes. Debido a ello se consigue igualdad de fuerzas y velocidades en las carreras (pérdida de fuerza y aumento de la velocidad para cilindros de igual tamaño).

3.2.3. CILINDROS DE DOBLE VÁSTAGO

Este tipo de cilindros tiene un vástago corrido hacia ambos lados. La guía del vástago es mejor, porque dispone de dos cojinetes y la distancia entre éstos



permanece constante. Por eso, este cilindro puede absorber también cargas laterales pequeñas. Los emisores de señales, pueden disponerse en el lado libre del vástago.

La fuerza es igual en los dos sentidos (las superficies del émbolo son iguales), al igual que sucede con la velocidad de desplazamiento. Este tipo de cilindros recibe también la denominación de cilindro compensado y es importante recordar el equilibrio entre fuerzas y velocidad de lo que puede considerarse como "teóricos" avances y retornos de vástago.

Con el empleo de cilindros de doble vastago...

Fuerza de avance = Fuerza de retornoVelocidad de avance = Velocidad de retorno

Evidentemente, para cumplirse esta corrección de desfases los diámetros de los vástagos han de ser iguales.



Simbólicamente, los cilindros de doble efecto muestran su doble punto de conexión. En el caso de los doble vástago (efecto compensador), también se puede apreciar su mecánica doble efecto.

3.2.4. AMORTIGUACIÓN



En los accionamientos neumáticos que son ejecutados a velocidades importantes y la masa trasladada es representativa, se producen impactos del émbolo contra la camisa que liberan gran cantidad de energía que tiende a dañar el cilindro. En estos casos, es evidente que la regulación de velocidad alargaría la vida del componente pero al mismo tiempo restaría eficacia al sistema.

Como solución, se presentan los actuadores con amortiguación interna. Estos disponen de unos casquillos de amortiguación concebidos para ser alojados en las propias culatas del cilindro. Como particularidad, se observa que se dispone de forma integrada de unos pequeños reguladores de caudal de carácter unidireccional.

Cuando el cilindro comienza a mover, el aire puede fluir por el interior del alojamiento de la culata y por el regulador. En estos momentos, la velocidad desarrollada es la nominal.



Cuando el casquillo de recrecimiento entra en contacto con el alojamiento, se obtura el punto de fuga más importante y el poco aire que todavía queda en el interior del cilindro, se ve obligado a escapar a través del regulador de caudal.En consecuencia, se obtiene una regulación de velocidad en los últimos milímetros de carrera del cilindro.

Cuando se invierte el movimiento, el aire puede circular a través del interior del alojamiento del casquillo y también por el antirretorno, lo cual hace que el sistema tenga función unidireccional.



Los amortiguadores neumáticos no son propios de los cilindros clásicos sino de prácticamente la totalidad de actuadores. De este modo encontramos unidades convencionales, unidades de doble vástago, unidades sin vástago e incluso actuadores de giro limitado que incorporan el recurso en sus mecánicas. Como ejemplo para la representación simbólica, tenemos...

Los límites para el empleo de las amortiguaciones neumáticas vienen establecidos por gráficas y fabricante, haciendo referencia a la velocidad máxima de desplazamiento y la carga trasladada. Una curva delimitará con total claridad los límites de funcionamiento para este tipo de amortiguaciones.

En caso de no ser suficientes, se requerirá la colocación de amortiguadores hidráulicos exteriores (también en caso de limitar la carrera del cilindro mecánicamente).



Existen fórmulas para el cálculo de las velocidades máximas de los actuadores pero desde aquí siempre se recomienda el empleo de las tablas de fabricante, ya que las mismas hacen referencia a las series de actuadores específicas y no a las generalidades de la formulación.

3.2.5. SISTEMAS ANTIGIRO

Uno de los principales problemas que plantean los cilindros de émbolo convencionales es el movimiento de giro que puede sufrir el vástago sobre sí mismo, ya que tanto el émbolo como el vástago, habitualmente son de sección circular al igual que la camisa, y por ello ningún elemento evita la rotación del conjunto pistón.

En determinadas aplicaciones, esto puede tener efectos negativos y se hace necesaria la incorporación de actuadores o elementos exteriores que realicen un efecto antigiro.

Existen múltiples posibilidades, de las cuales detallamos las más extendidas.■ Sistemas de sección no circular (embolo - camisa o vástago -casquillo).■ Sistemas de guía (simple o doble).■ Sistemas doble vástago.

3.2.5.1. SECCIÓN NO CIRCULAR

Una de las primeras soluciones adoptadas, fue sustituir la clásica sección del vástago (circular) por otros perfiles que no permitan el giro sobre sí mismo.Algunos de estos perfiles fueron los cuadrados, ovales, etc., pero presentaban el problema de una difícil mecanización (y por ello precio un excesivo del componente), además de presentar un grado de estanqueidad bastante bajo, ya que el perfil de la juntas dinámicas y estáticas no es el más adecuado.



Otra solución corresponde al trabajo mediante secciones de vástago circulares (y en consecuencia del casquillo guía) pero marcando la función antigiro sobre el perfil interior de la camisa del cilindro (y en consecuencia del émbolo).

3.2.5.2. SISTEMAS DE GUÍA

Las unidades de guiado son elementos mecánicos exteriores que aseguran la función de guiado del vástago



al mismo tiempo que protegen al vástago de las fuerzas de giro y flexión exteriores.

Se fabrican en acero y se acoplan sobre la culata anterior de los cilindros normalizados. En su interior se encuentran unos cojinetes de bronce sintetizado por los cuales se deslizan las varillas de guiado (en ocasiones pueden ser rodamientos lineales, los cuales aportan una mayor fiabilidad, reducen el rozamiento pero incrementan el coste de la unidad).

Una de las ventajas adicionales que presentan los sistemas de guía es la posibilidad de limitar la carrera de un cilindro de forma rápida, sencilla y sin intervención sobre el mismo. Esta limitación suele ser muy frecuente



ya que rara vez coincidirá la carrera deseada en el diseño con las ofertadas comercialmente.

Esta limitación de carrera se ejecuta mediante un disco colocado directamente sobre la guía (golpeando antes de la ejecución completa de la carrera). Se pueden colocar amortiguadores hidráulicos sobre el bloque si el fabricante lo ha previsto.

3.2.5.3. SISTEMAS DE DOBLE VÁSTAGO

Como ya se ha indicado, algunos actuadores incorporan ya unas guías que le proporcionan función antigiro. En estos actuadores se dispone de un solo émbolo y vástago efectivos; los restantes vástagos tienen función exclusivade antigiro, no siendo solidarios a ningún émbolo, y desplazándose exclusivamente por arrastre (no tienen contacto con la presión de alimentación).



Estos actuadores no deben confundirse con los denominados de vástago paralelo. En éstos también se dispone de 2 vástagos pero la diferencia se encuentra en que cada uno de ellos dispone de su propio émbolo.

Este tipo de actuadores tiene función antigiro, y presentan mayor prestación en cuanto a la absorción de cargas exteriores, si bien, la principal ventaja de estos actuadores es que al disponer de un doble émbolo, desarrollan el doble de fuerza que uno convencional de igual tamaño.

Existen más sistemas que aportan a los actuadores funciones antigiro, pero quizá los tres expuestos anteriormente constituyen los más representativos.Seguiremos analizando otras unidades.

3.2.6. CILINDROS TÁNDEM

Está constituido por dos cilindros de doble efecto que forma una unidad.Gracias a esta disposición, al aplicar simultáneamente presión sobre los dos émbolos se obtiene en el vástago una fuerza de casi el doble de la de un cilindro normal para el mismo diámetro.



Se utiliza cuando se necesitan fuerzas considerables y se dispone de un espacio relativamente pequeño, no siendo posible utilizar cilindros de diámetros mayores. Sin ser unidades excesivamente comunes, vale la pena conocerlas ya que en ocasiones pueden resultar de interés para la resolución de problemas muy concretos.

3.2.7. CILINDROS MULTIPOSICIONALES

Los cilindros multiposicionales son una buena opción el aquellos casos en los que se requiera alcanzar 3 ó 4 posiciones diferentes y no se requiera una variabilidad frecuente de las mismas.

Son no obstante, unidades sencillas ya que tan solo se componen de 2 unidades convencionales unidas por el extremo de los vástagos o bien por las culatas (mediante placa adaptadora comercial). Para 4 posiciones, se requiere que la carrera de las 2 unidades sean diferentes.



Analizaremos un ejemplo de posibilidades de ejecución de carrera con un par de cilindros convencionales de carreras 100 y 200 mm. Las posiciones totales a conseguir son 4…



3.2.8. CILINDROS DE VÁSTAGO HUECO76 CONTROLES ELÉCTRICOS Y AUTOMATIZACIÓN


Algunos actuadores neumáticos presentan la ventaja de tener el vástago o eje hueco, lo que los hace ideales para el trabajo con aplicación de la técnica de vacío, o bien, para pasar cables eléctricos si fuera necesario.

La aplicación de este tipo de actuadores permite y facilita el conexionado de elementos, ya que no será necesario el guiado de tubos para vacío o cableado eléctrico desde los puntos de generación de energía hasta los consumidores (ventosas, electroimanes, etc.), sino que pueden pasar a través del hueco que encontramos en el vástago, consiguiendo así una instalación más simple y por tanto más económica.

En la siguiente figura comprobaremos una de las aplicaciones típicas para este tipo de cilindros, y las ventajas que representa frente a la aplicación de actuadores convencionales:



3.2.9. UNIDADES DE BLOQUEO

Las unidades de bloqueo no pueden considerarse en sí actuadores, sino como elementos auxiliares de éstos. No obstante, son uno de los componentes de mayor aplicación en la actualidad, ya que aportan una solución eficaz y económica a uno de los principales problemas que plantea el trabajo con actuadores neumáticos: el posicionamiento intermedio de los mismos.

En los circuitos neumáticos y electroneumáticos, uno de los principales problemas siempre ha sido el posicionamiento de los vástagos de los cilindros con cierta precisión en posiciones intermedias entre finales de carrera. Uno de los métodos tradicionales para conseguir estos accionamientos, ha sido el empleo de válvulas de tres posiciones (centro abierto o cerrado). Estos métodos presentaban el gran inconveniente de no asegurar el posicionamiento, sobre todo si existían cargas exteriores acopladas o sobre los vástagos. Todo es debido a la compresión de aire que se da en el interior de las cámaras, ya que trabajamos con fluidos compresibles. Por supuesto, los centros abiertos no son de utilidad cuando se requiere un control de la posición y existen este tipo de cargas.



En el apartado correspondiente a válvulas direccionales se estudiará con mayor detenimiento el control de cilindros tanto en un "todo o nada" como en el posicionado de los mismos.

Otro de los grandes inconvenientes venía dado por las grandes aceleraciones sufridas por los vástagos cuando se producían las conmutaciones, ya que la diferencia de presión era notable. Este problema se soluciona aplicando controles mediante 2 válvulas de 3 vías y 2 posiciones, en vez de las 5 vías y las 2 ó 3 posiciones tradicionales.

Por todos estos motivos se hace necesario el desarrollo de nuevos componentes ideados para este tipo de movimientos, y es cuando aparecen las unidades de retención.

Éstas consiguen el posicionamiento mediante un frenado mecánico del vástago (bloqueo), asegurando el mismo por efecto de fricción en ambas direcciones. 3.2.9.1. ESTRUCTURA INTERNA

Las unidades de bloqueo están compuestas principalmente por un cuerpo exterior de aluminio, el cual se acopla mecánicamente a la culata anterior de los cilindros normalizados.

Generalmente, en el interior de este cuerpo se aloja una excéntrica con una palanca de actuación y un pistón. El pistón se desplaza axialmente por la fuerza de un muelle o de la presión aplicada, desplazando en su recorrido la palanca aplicada a la excéntrica. Cuando la palanca es desplazada por el pistón, hace rotar el cuerpo unos grados determinados, produciéndose así la sujeción del vástago del cilindro (zona de ferodo). El vástago atraviesa la unidad de retención.

La liberación del vástago puede producirse por una nueva inyección de aire comprimido, o bien por la eliminación de



éste sobre la línea piloto o de actuación (dependiendo de si la unidad de retención trabaja como elemento monoestable o biestable). Estas unidades siempre son capaces de desarrollar mayores fuerzas de sujeción que las desarrolladas por las cargas aplicadas sobre el cilindro.

Si se utiliza una disposición de simple efecto, también aseguramos el bloqueo del vástago en caso de una caída repentina de la presión, por lo cual estos elementos pueden formar parte de los sistemas de seguridad.

Estas unidades de retención no disponen de una simbología normalizada, pero los fabricantes se las van asignando, siendo bastante usual encontrarnos algunas como:

A continuación se muestra un esquema clásico en aplicaciones neumáticas dotadas con actuadores que dispongan de sistema de bloqueo. El esquema puede sufrir ciertas variaciones en función del tipo de carga que se esté controlando (cargas verticales en tracción o compresión).

En la figura se observa un sistema que trabaja con presurizado en ambas cámaras (condición de reposo del sistema). En esta circunstancia deberá forzarse el bloqueo del sistema (ausencia de aire) para evitar movimientos no



deseados debido a las diferentes secciones presentadas por el cilindro.

En otras ocasiones, la inversión en las vías y el empleo de reductores de presión pueden solventar el problema.

3.2.10. CILINDROS DE FUELLE

Los cilindros de fuelle o de lóbulos, están constituidos por dos tapas de cierre que actúan a modo de culata unida entre sí por medio de una membrana elástica (fabricada de material elastómero, como el neopreno).



Su disposición es siempre de simple efecto, deformándose la membrana axialmente ante la aplicación de aire comprimido y recuperándose por acción de la gravedad o de fuerzas externas (previa liberación del aire comprimido de la cámara de expansión).

Presentan numerosas ventajas, como son:

■ Son de larga duración y están exentos de mantenimiento, al no existir piezas internas (trabajo por expansión de lóbulos).■ No se producen rozamientos en la maniobra.■ Tienen una instalación simple y por tanto, económica.■ Buena relación de volumen ocupado entre compresión – expansión (son fabricados con 1, 2 ó 3 lóbulos).■ Buena absorción de cargas radiales en los extremos.

Pueden ser utilizados como amortiguadores debido a la facilidad con la que pueden absorber las vibraciones.

Hay que tener en cuenta que, al no disponer de vástago ni de guías, el cilindro es incapaz por sí solo de alinearse, por lo que hay que instalarlos en alojamientos guiados si se pretende que el movimiento sea perfectamente axial.



3.3. ACTUADORES DE GIRO

Los actuadores rotativos son los encargados de transformar la energía neumática en energía mecánica de rotación. Dependiendo de si el móvil de giro tiene un ángulo limitado o no, se forman los dos grandes grupos a analizar:■ Actuadores de giro limitado, que son aquellos que proporcionan movimiento de giro pero no llegan a producir una revolución (exceptuando alguna mecánica particular como por ejemplo piñón - cremallera). Existen disposiciones de simple y doble efecto para ángulos de giro de 90°, 180°..., hasta un valor máximo de unos 300° (aproximadamente).■ Motores neumáticos, que son aquellos que proporcionan un movimiento rotatorio constante. Se caracterizan por proporcionar un elevado número de revoluciones por minuto.

A continuación se explican detalladamente los 3 principales actuadores de giro que podemos encontrar en el mercado, los cuales representan a motores y actuadores de giro limitado.

3.3.1. ACTUADOR DE PALETA

El actuador de giro de tipo paleta quizá sea el más representativo dentro del grupo que forman los actuadores de giro limitado. Estos actuadores realizan un movimiento de giro que rara vez supera los 270°, incorporando unos topes mecánicos que permiten la regulación de este giro.



Están compuestos por una carcasa, en cuyo interior se encuentra una paleta que delimita las dos cámaras. Solidario a esta paleta, se encuentra el eje, que atraviesa la carcasa exterior. Es precisamente en este eje donde obtenemos el trabajo, en este caso en forma de movimiento angular limitado. Tal y como podemos apreciar en la figura, el funcionamiento es similar al de los actuadores lineales de doble efecto. Al aplicar aire comprimido a una de sus cámaras, la paleta tiende a girar sobre el eje, siempre y cuando exista diferencia de presión con respecto a la cámara contraria (generalmente comunicada con la atmósfera). Si la posición es inversa, se consigue un movimiento de giro en sentido contrario.



Estos componentes presentan ventajas propias de los componentes de última generación, tal y como amortiguación en final de recorrido, posibilidad de detección magnética de la posición (mecánica o magnética), etc.

La detección mecánica se ejecuta mediante elementos móviles exteriores ajustables en grado mediante nonio graduado.

Este tipo de actuadores ha de recuperar siempre la posición (ejecución de retorno), por lo cual no son aptos



para el marcado de pasos regulares a no ser que el fabricante incorpore una rueda libre (consiguiéndose un avance regular de pasos apto para un número importante de aplicaciones).

Este tipo de piñones o ruedas libres son comercializados por los propios fabricantes para el acople directo con sus productos y se presentan en versiones de giro a izquierdas o a derechas (para cubrir las necesidades del automatismo).

3.3.2. ACTUADOR PIÑÓN - CREMALLERA

En esta ejecución de cilindro de doble efecto, el vástago es una cremallera que acciona un piñón y transforma el movimiento lineal en un movimiento giratorio, hacia la izquierda o hacia la derecha, según el sentido del émbolo.Los ángulos de giro corrientes pueden ser de 45°, 90°, 180°, 290° hasta 720°.

Es posible determinar el margen de giro dentro del margen total por medio de un tornillo de ajuste que ajusta la carrera del vástago.



El par de giro está en función de la presión, de la superficie del émbolo y de la desmultiplicación. Los accionamientos de giro se emplean para voltear piezas, doblar tubos metálicos, regular acondicionadores de aire, accionar válvulas de cierre, válvulas de tapa, etc.

Existen actuadores piñón - cremallera de doble cremallera, los cuales proporcionan mayor par y mejor guiado de la unidad.



3.3.3. MOTORES DE PALETAS

Como ya hemos comentado anteriormente, los motores neumáticos son los encargados de la transformación de la energía neumática en energía mecánica (movimiento rotatorio constante).

Dentro de la variada gama de motores neumáticos, los más representativos son los del tipo "de paletas", también conocidos como "de aletas". Debido a su construcción sencilla y peso reducido, su aplicación se ha extendido bastante en los últimos años.

Su constitución interna es similar a la de los compresores de paletas, es decir, un rotor ranurado, en el cual se alojan una serie de paletas, que gira excéntricamente en el interior del estator. En estas ranuras se deslizan hacia el exterior las paletas o aletas por acción de la fuerza centrífuga cuando se aplica una corriente de aire a presión.



En estos actuadores no tiene sentido la clasificación de simple o doble efecto, si bien, dependiendo de la construcción de estas paletas el motor podrá girar en uno o dos sentidos.

Los motores de paletas son fabricados para potencias entre 0,1 y 20 CV. El número de revoluciones en vacío oscila entre 1000 y 5000 r.p.m., siendo frecuentemente utilizados en herramientas portátiles neumáticas (como taladradoras, esmeriladoras, etc.).

3.4. MECÁNICA DE UN CILINDRO



El cilindro de émbolo se compone de: tubo, tapa posterior (fondo) y tapa anterior con cojinete y aro rascador, además de piezas de unión y juntas.

Cuando el cilindro ha de realizar trabajos pesados, el tubo (camisa del cilindro 1), se fabrica en la mayoría de los casos de tubo de acero embutido sin costura (St. 35). Para prolongar la duración de las juntas, la superficie interior del tubo debe someterse a un mecanizado de precisión (bruñido).

Hoy en día, donde la mayoría de las aplicaciones requieren esfuerzos débiles, se suelen construir en aluminio. Estas ejecuciones especiales se emplean cuando los cilindros no se accionan con frecuencia o para protegerlos de influencias corrosivas. También para la captación de finales de carrera magnéticamente.

La camisa marca dos parámetros fundamentales del cilindro.■ Por un lado, su diámetro interno marcará la sección que presenta el cilindro y por tanto, para una presión dada nos



indicará la fuerza que este es capaz de realizar. Evidentemente, a mayor diámetro, mayor fuerza y consumo.■ Por otro lado, la longitud del tubo delimita lo que se conoce como carrera del cilindro, o longitud útil para el trabajo con el mismo.

Tanto diámetros como carreras se encuentran normalizados.

Para las tapas posterior fondo (2) y anterior (3) se emplea preferentemente material de fundición (aluminio o acero en función del resto de materiales del cilindro). La fijación de ambas tapas en el tubo puede realizarse mediante tirantes, roscas o bridas.

El vástago se fabrica preferentemente de acero bonificado. Este acero contiene un determinado porcentaje de cromo que lo protege de la corrosión.A deseo, el émbolo se puede someter a un tratamiento de temple. Su superficie se comprime en un proceso de rodado entre discos planos. En algunas ocasiones, sobre la simbología



de los actuadores los fabricantes indican mediante una serie de símbolos tratamientos específicos aplicados a los vástagos.

La profundidad de asperezas del vástago es de 1 u.m. En general, las roscas se laminan al objeto de prevenir el riesgo de roturas. En cilindros hidráulicos debe emplearse un vástago cromado (con cromo duro) o templado.

El vástago acopla mecánicamente con el émbolo del cilindro, cerrando la unión mediante tuerca y juntas estáticas (para el sellado).

Sobre el émbolo se montaran las juntas dinámicas y el imán (si es un cilindro preparado para captación magnética de la posición).



Para hermetizar el vástago, se monta en la tapa anterior un collarín obturador (5). De la guía de vástago se hace cargo un casquillo del cojinete (6), que puede ser de bronce sinterizado o un casquillo metálico con revestimiento de plástico. Delante del casquillo del cojinete, se encuentra un aro rascador (7).Este impide que entren partículas de polvo y suciedad en el interior del cilindro. Por eso, no se necesita emplear un fuelle.



Pertenece a los elementos estanqueizantes que componen el cilindro.

El junta dinámica (8), hermetiza las cámaras del cilindro para un óptimo rendimiento. Las juntas tóricas o anillos toroidales (9), se emplean para la obturación estática, porque deben pretensarse, y esto causa pérdidas elevadas por fricción en aplicaciones dinámicas.



3.5. CÁLCULOS DE CILINDROS



Analizaremos brevemente los principales aspectos a tener en cuenta a la hora de calcular un cilindro. No obstante, lo más recomendable es acudir siempre a los datos aportados por el fabricante donde se nos mostraran tablas para los esfuerzos desarrollados, máximas longitudes de flexión y pandeo, etc.

3.5.1. FUERZA DEL ÉMBOLO

La fuerza ejercida por un elemento de trabajo depende principalmente de la presión del aire, del diámetro del cilindro y del rozamiento de las juntas. La fuerza teórica del émbolo se calcula con la siguiente fórmula:

Dónde:

En la práctica, es necesario conocer la fuerza real que ejercen los actuadores.Para determinarla, también hay que tener en cuenta los rozamientos. En condiciones normales de servicio (presiones de 400 a 800 kPa. / 4 a 8 bar) se puede suponer que las fuerzas de rozamiento representan de un 3 a un 20% de la fuerza calculada.

3.5.2. LONGITUD DE CARRERA



La longitud de carrera en cilindros neumáticos no debe exceder de 2000 mm.Con émbolos de gran tamaño y carrera larga, el sistema neumático no resulta económico por el elevado consumo de aire y precio de los actuadores.

Cuando la carrera es muy larga, el esfuerzo mecánico del vástago y de los cojinetes de guía, es demasiado grande. Para evitar el riesgo de pandeo, si las carreras son grandes, deben adoptarse vástagos de diámetro superior a lo normal. Además, al prolongar la carrera, la distancia entre cojinetes aumenta y, con ello, mejora la guía del vástago. Otra solución la aportan los cilindros de vástago guiado, mucho más resistentes a los esfuerzos mecánicos.

3.5.3. VELOCIDAD DEL ÉMBOLO

La velocidad del émbolo, en cilindros neumáticos depende de la fuerza antagonista, de la presión del aire, de la longitud de la tubería, de la sección entre los elementos de mando y trabajo y del caudal que circula por el elemento de mando. Además, influye en la velocidad la amortiguación de final de carrera. Cuando el émbolo abandona la zona de amortiguación, el aire entra por una válvula antirretorno y de estrangulación y produce un aumento de la velocidad.

La velocidad media del émbolo, en cilindros estándar, está comprendida entre 0,1 y 1,5 m/s. Con cilindros especiales (cilindros de impacto) se alcanzan velocidades de hasta 10 m/s.

La velocidad del émbolo puede regularse con válvulas especiales. Las válvulas de estrangulación, las antirretorno y de estrangulación, y las de escape rápido, proporcionan velocidades mayores o menores, dependiendo de su regulación.

3.5.4. CONSUMO DE AIRE



Para disponer de aire y conocer el gasto de energía, es importante conocer el consumo de la instalación, cálculo que comenzará por los actuadores (potencia). Para una presión de trabajo, un diámetro y una carrera de émbolos determinados, el consumo de aire se calcula como sigue:

La fórmula de cálculo por embolada, resulta:

Con ayuda de tablas, se puede establecer los datos del consumo de aire de una manera más sencilla y rápida. Los valores están expresados por cm de carrera para los diámetros más corrientes de cilindros y para presiones de100 a 1500 kPa. (1-15 bar).

Dónde:

IV. ACTUADORES HIDRÁULICOS



4.1 ACTUADORES HIRAULICOS

Los actuadores hidráulicos son los que han de utilizar un fluido a presión, generalmente un tipo de aceite, para que el sistema donde sea utilizado pueda movilizar sus mecanismos. Los actuadores hidráulicos se utilizan para maquinarias grandes, las cuales presentan mayor velocidad y mayor resistencia mecánica.

Para las aplicaciones que exijan una carga útil, el dispositivo hidráulico es el sistema a elegir. Los altos índices entre potencia y carga, la mayor exactitud, la respuesta de mayor frecuencia con un desempeño más suave a bajas velocidades y el amplio rango de velocidad, son algunas de las ventajas del acondicionamiento hidráulicos sobre los actuadores neumáticos.

La presión es aplicada de la misma manera que la neumática en un émbolo que se encuentra dentro de un compartimiento hermético. Este se encuentra acoplado mecánicamente a un vástago que se mueve linealmente de acuerdo a la presión aplicada. Los cálculos para la fuerza ejercida por un cilindro hidráulico son las mismas que para los cilindros neumáticos.

Sin embargo, poseen una diferencia fundamental; el cilindro hidráulico del mismo tamaño que el neumático produce una mayor fuerza. Las principales aplicaciones la podemos encontrar en máquinas troqueladoras, en cargadores y en maquinarias pesada para obras civiles.

Para la aplicación de los actuadores hidráulicos, se necesita de una bomba que envíen al líquido también a presión a través de una tubería o de mangueras especiales para el transporte del mismo.

Estos actuadores son de poco uso en la industria si lo comparamos con la acogida de los actuadores neumático y eléctrico; esto se debe entre otras cosas a los grandes



requisitos para el espacio de piso y las condiciones de gran riesgo provenientes del escurrimiento de fluidos de alta presión.

En esta clase de actuadores también encontramos cilindros de simple o de doble efecto y en cuanto a los elementos de control y protección son muy similares a los sistemas...

Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación, funcionan en base a fluidos a presión. Existen tres grandes grupos:

1. cilindro hidráulico 2. motor hidráulico 3. motor hidráulico de oscilación

4.2 CILINDRO HIDRÁULICO

Los Cilindros Hidráulicos son unos actuadores mecánicos que aprovechan la energía de un Circuito o Instalación hidráulica de forma mecánica. Los Cilindros Hidráulicos son posiblemente la forma más habitual de uso de energía en instalaciones hidráulicas.

Figura 4.1 Cilindro hidráulico



En la figura 4.1 se ve el esquema de un cilindro hidráulico. Cuando se alimenta con fluido hidráulico por la boca posterior avanza.

La velocidad de avance es proporcional al Caudal e inversamente proporcional al área posterior del pistón. Es de hacer notar que para que el pistón avance será necesario que el fluido presente en la cámara anterior salga por la boca correspondiente. Cuando se desea que el pistón entre se debe alimentar por la boca anterior y sacar el fluido de la cámara posterior. Este cambio de direcciones del fluido se logra mediante las válvulas direccionales.

4.3.1 CLASIFICACIÓN

Básicamente, los Cilindros Hidráulicos se definen por su sistema de desplazamiento en:

4.3.1.1 Cilindro de presión dinámica

Lleva la carga en la base del cilindro. Los costos de fabricación por lo general son bajos ya que no hay partes que resbalen dentro del cilindro.

Figura 4.2 Cilindro de presión dinámica

4.3.1.2 Cilindro de Efecto simple.



La barra esta solo en uno de los extremos del pistón, el cual se contrae mediante resortes o por la misma gravedad. La carga puede colocarse solo en un extremo del cilindro.

Figura 4.3 Cilindro de efecto simple

4.3.1.3 Cilindro de Efecto doble.

La carga puede colocarse en cualquiera de los lados del cilindro. Se genera un impulso horizontal debido a la diferencia de presión entre los extremos del pistón.

Figura 4.4 Cilindro de efecto doble

4.3.1.4 Cilindro telescópico.



La barra de tipo tubo multietápico es empujada sucesivamente conforme se va aplicando al cilindro aceite a presión. Se puede lograr una carrera relativamente en comparación con la longitud del cilindro

Figura 4.5 Cilindro telescópico

Válvulas Direccionales

Las válvulas en términos generales, tienen las siguientes misiones:

• Distribuir el fluido• Regular caudal• Regular presión

Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por el compresor o almacenado en un depósito.

Veamos cómo se comanda un cilindro de simple efecto con una válvula direccional de tres vías dos posiciones. En la figura 4.6 vemos el esquema del circuito.



Figura 4.6 Esquema de un circuito hidráulico

En la figura 4.7 vemos la válvula física y simbólicamente representada en sus distintas posiciones de funcionamiento.

Figura 4.7 Representación de una válvula4.3.2 MANTENIMIENTO DE LOS CILINDROS HIDRAULICOS



Daremos ahora unos cuantos consejos generales para evitar incidencias y averías en las instalaciones con Cilindros Hidráulicos:

Lubricar con aceite hidráulico limpio las juntas, conectores y racores antes de usarlos. Comprobar la presión de funcionamiento del Circuito Hidráulico para evitar sobrepresiones. Comprobar el apriete de los conectores hidráulicos del Cilindro para evitar fugas. Comprobar los soportes de los cilindros, tanto en hogura como en alineación. Limpiar la suciedad del vástago, usando fuelles en instalaciones en zonas de polvo o suciedad alta. Mantener el Aceite Hidráulico en perfectas condiciones ayuda en gran medida a la conservación de todos los elementos de una Instalación hidráulica.

4.3.3 DETERIOROS EN SISTEMAS HIDRÁULICOS Y CILINDROS

Si bien se cree que la falla de los cilindros es más fácil de detectar por la pérdida de aceite que observamos por sus vástagos, estamos equivocados, existen fallas internas que dan señales, de que se está produciendo un desperfecto en el sistema Hidráulico de nuestro equipo. El cual desemboca la mayoría de las veces en una cataratas de problemas que afecta únicamente a la economía de las empresa.

El primero en nuestra lista de desperfectos, nace en el tanque hidráulico, y es el más inocente de todos, es la equivocación entre tipos de aceites y sus diferencias entre ellos (Hidráulico para Equipos pesados de movimiento e Hidráulico para equipos Industriales Estacionarios).

La realización de malos esfuerzos e inoperancia por parte del operador, aunque se crea lo contrario es uno de los desperfectos menos casuales, no asi el juego excesivo en los anclajes del cilindro, ya que estos podrían cruzar su eje



de fuerza y llegar a una ruptura, por el caso de responsabilidad de aviso se carga muchas veces este desperfecto a los maquinistas.Otro de los desperfectos, es la contaminación del aceite (tanto externa como interna), detectables únicamente en cambios de aceites y filtros o análisis del mismo.Estas son las causas más comunes en el deterioro de los Sistemas Hidráulicos (Cilindros Hidráulicos, Válvulas, Motores, bombas, mangueras, etc), y en la que vamos hacer hincapié ya que son, para la tranquilidad de nuestros clientes, netamente previsibles.

4.3 MOTOR HIDRÁULICO

Los motores hidráulicos realizan un trabajo mecánico en forma de movimiento giratoria ejerciendo un par en el eje de salida. Su funcionamiento es pues inverso al de las bombas hidráulicas. Se emplean sobre todo porque entregan un par muy grande a velocidades de giro pequeñas en comparación con los motores eléctricos.

4.3.1 Tipos de motores hidráulicos

4.3.1.1 Motores de engranajes

Son de tamaño reducido y pueden girar en los dos sentidos, pero el par es pequeño, son ruidosos, pueden trabajar a altas velocidades pero de forma análoga a los motores de paletas, su rendimiento cae a bajas velocidades.



Figura 4.8 Representación de un motor de engranajes

Figura 4.9 Partes un motor de engranajes



Se usan para sistemas simples con un nivel relativamente bajo de presión (de 140 a 180 bar / 14 - 18 MPa), el motor de engranajes es el más usado entre los motores hidráulicos. El motor de engranajes es un motor muy simple, fiable, relativamente barato y el menos sensible a la suciedad. En la animación se puede ver que el sentido de rotación está determinado por la dirección del flujo de aceite. La presión en el lado de presión depende de la carga (torque) en el eje del motor hidráulico.

Figura 4.10 Clases de motores hidraulicos4.3.1.2 Motores de paletas



Estos motores tienen un rotor montado excéntricamente en un cilindro, con paletas longitudinales alojadas en ranuras a lo largo del rotor. El par se origina cuando el aire a presión actúa sobre las paletas. El número de paletas suele ser de 4 a 8. Normalmente cuatro o cinco paletas son suficientes para la mayoría de las aplicaciones. Se utilizan mayor número de paletas cuando se necesita mejorar la fiabilidad de la máquina y su par de arranque.

Figura 4.11 Motores de paletas

Los motores de paletas giran desde 3000 a 25000 R.P.M.,en vacío.

Como norma general, los motores deben trabajar con una precarga para evitar que giren a velocidades altas.

Al girar en vacío el motor, el número de veces que las paletas rozan sobre el cilindro es casi doble que en carga. Esto supone un desgaste innecesario de las paletas y de la pared del cilindro sobre la que deslizan.



La vida de las paletas se prolongará a varios cientos de horas trabajando el motor a velocidades moderadas y metiendo aire al motor debidamente limpio y lubricado con aceite en suspensión.

Los motores de paletas giran a velocidades más altas y desarrollan más potencia en relación con su peso que los motores de pistones, sin embargo tienen un par de arranque menos efectivo.

Los motores de paletas son más ligeros y más baratos que los motores de pistones de potencia similar. Son los motores de uso más frecuente.

4.3.1.3 Motores Neumáticos de Pistones

Los motores hidráulicos de pistones tienen de 4 a 6 cilindros. La potencia se desarrolla bajo la influencia de la presión encerrada en cada cilindro. Trabajan a revoluciones más bajas que los motores de paletas. Tienen un par de arranque elevado y buen control de su velocidad. Se emplean para trabajos a baja velocidad con grandes cargas.



Figura 4.12 Motor de pistones

Pueden tener los pistones colocados axial o radialmente.

Figura 4.13 Vista interna de un motor de pistones4.3.2 SELECCIÓN DEL MOTOR.



Lo primero que debe saberse es la velocidad a la que debe trabajar el motor y el par para esa velocidad. La combinación de ambas variables nos indicará la potencia del motor. Entre todos los motores posibles que den las características que buscamos hay que elegir el que da máxima potencia para los valores buscados. Asegurarse de que se ha elegido el valor de par adecuado. (No el par de arranque o bloqueo, sino el del motor girando a la velocidad seleccionada.)

Motor hidráulico

En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la presión. Estos motores los podemos clasificar en dos grandes grupo: El primero es uno de tipo rotatorio en el que los engranes son accionados directamente por aceite a presión, y el segundo, de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda debido a su mayor eficiencia.



Figura 4.14

Motor de Engranaje

El aceite a presión fluye desde la entrada que actúa sobre la cara dentada de cada engranaje generando torque en la dirección de la flecha. La estructura del motor es simple, por lo que es muy recomendable su uso en operaciones a alta velocidad.

Motor con pistón eje inclinado

El aceite a presión que fluye desde la entrada empuja el pistón contra la brida y la fuerza resultante en la dirección radial hace que el eje y el bloque del cilindro giren en la dirección de la flecha. Este tipo de motor es muy



conveniente para usos a alta presión y a alta velocidad. Es posible modificar su capacidad al cambiar el ángulo de inclinación del eje.

Motor oscilante con pistón axial

Tiene como función, el absorber un determinado volumen de fluido a presión y devolverlo al circuito en el momento que éste lo precise.

4.4 TURBINAS HIDRÁULICAS

La función de una turbina y de toda máquina hidráulica es efectuar un cambio de energía entre un sistema mecánico y un sistema fluido. Los únicos tipos de máquina hidráulica con los cuales se relaciona directamente son las turbinas. El uso de artificios mecánicos elementales para transformar energía mecánica en otra energía optativa se puede encontrar la turbina hidráulica sencilla que es una evolución natural de la rueda hidráulica, aunque el parecido físico es muy remoto.

Los elementos constitutivos de una turbina son:

1-. Canal de llegada (lámina libre) o tubería forzada (flujo a presión).2-. Caja Espiral: transforma presión en velocidad.3-. Distribuidor4-. Rodete.5-. Tubo de aspiración

4.4.1 TURBINAS PELTON.

Este tipo de turbina fue creada y patentada en 1889 por el norteamericano Lester Allan Pelton.



El principio de funcionamiento es relativamente simple, ya que constituye una evolución lógica de la antigua rueda hidráulica. Posee las mejores características para grandes alturas, y desde luego es la única máquina capaz de funcionar con alturas superiores a 1.700 m. Son notables su suavidad de giro y su buen funcionamiento a carga parcial. En la figura se muestra la disposición típica de una turbina Pelton. La tobera lanza a la atmósfera un chorro de alta velocidad que incide sobre una serie de cucharas o álabes montados en la periferia de una rueda. El par ejercido por el impacto y la desviación del chorro provoca el giro de la rueda. Una vez transmitida su energía a la rueda, el agua sale de los álabes a velocidad relativamente baja y es dirigida hacia el canal de desagüe. Por tanto, la turbina ha de estar colocada a suficiente altura sobre el nivel máximo de crecida para asegurar el derrame libre.

Figura 4.15

En la turbina Pelton actual, la energía cinética del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubería a presión.



La tobera está provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo en conjunto, el órgano de alimentación y de regulación de la turbina. Encuentra justa aplicación la turbina Pelton, en aquellos aprovechamientos hidráulicos donde la ponderación de la carga es importante respecto al caudal. La velocidad especifica es baja, entre 10 y 60 en el sistema metrico y entre 2 y 12 en el sistema ingles aproximadamente, siendo preferibles valores centrales entre estos limites por razones del rendimiento, el cual es del orden del 90% y se conserva bastante bien a carga parcial. Entre las turbinas Pelton mas grandes instaladas hasta el momento se encuentran las de Mont- Cenis (Alpes franceses) de 272000 HP cada una, bajo 870 m de carga. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE TURBINAS PELTON.

Una instalación típica de Turbinas Pelton consta de los siguientes elementos: 1-. Codo de entrada.2-. Inyector: transforma la energía de presión en energía cinética. La velocidad del chorro a la salida del inyector en algunas instalaciones llega a 150 m/seg y aún más consta de tobera y válvula de aguja. 3-. Tobera.4-. Válvula de Aguja.5-. Servomotor.6-. Regulador.7-. Mando del deflector.8-. Deflector o pantalla deflectora.9-. Corro.10-. Rodete.11-. Álabes o cucharas.12-. Freno de la turbina.13-. Blindaje.14-. Destructor de energía.



Figura 4.16 Turbina tipo Pelton

4.4.2 TURBINAS FRANCIS

La primera turbina a reacción que funcionó con éxito fue construida y ensayada en 1849 por el ingeniero norteamericano J.B Francis. Su concepción aventajó a la de la mayoría de las formas anteriores en que el flujo se dirigía bajo presión en sentido centrípeto, con lo que cualquier tendencia a acelerarse (embalamiento) quedaba parcialmente contrarrestada por la reducción de flujo debida al aumento de la fuerza centrífuga.La rueda de álabes o rodete tenía más bien la forma del rodete de una bomba centrífuga, siendo el flujo predominante radial, con los mismos radios de entrada y salida para todas las líneas de corriente. Como surgió la necesidad de conseguir mayores potencias a velocidades más altas, se hizo imperativo adoptar el



rodete para flujos más caudalosos sin aumentar el diámetro. Esto solamente podía realizarse haciendo que el agua siguiera una dirección radial- axial.

El resultado de ello fue el tipo de turbina de flujo mixto que actualmente es el modelo normal. Aunque las modernas turbinas de flujo centrípeto guardan poca semejanza con la máquina Francis original, el principio de funcionamiento es esencialmente el mismo y el nombre se ha conservado. Actualmente se emplean para alturas de 100 a 1500 ft, y como esta gama de alturas es la más frecuente, la máquina Francis tiene una gran superioridad numérica sobre los demás tipos. Concretamente, en Escocia hay preponderancia de estas turbinas.

El agua se dirige (con una apreciable componente tangencial de la velocidad) hacia el rodete por medio de una carcasa en espiral (caracol) y un cierto número de álabes de perfil aerodinámico (álabes directores) igualmente espaciados en la periferia.

Estos álabes directores son orientables, de modo que pueden abrir o cerrar completamente el paso del agua hacia el rodete, controlándose el grado de abertura desde el mando de la turbina a través de un mecanismo de enlace. Su misión es guiar el flujo hacia el rodete con el mínimo grado de turbulencia, así como regular el caudal y, por tanto, la potencia suministrada.

Al ser convergentes los álabes directores, la energía cinética a la entrada del rodete es mayor que en la tubería, y la costa de presión correspondiente será menor. En su recorrido a través del rodete, el agua experimenta otra caída de presión, hasta que finalmente sale por el centro a baja presión y con escasa o ninguna componente tangencial de la velocidad. El par motor que se obtiene procede de la desviación de la trayectoria del flujo y de la variación de las energías de presión y cinética.



Debido a los problemas (por ejemplo, estanqueidad de las juntas) que plantean las altas presiones y velocidades, existe un límite superior para la altura con la que se puede utilizar este tipo de máquina. 4.4.3. TURBINAS DE HELICE (KAPLAN)

Este tipo de turbina de reacción es la contrapartida de la bomba de flujo axial, siendo muy semejantes los elementos rotativos.

El rodete, en forma de hélice naval, es la evolución lógica de la turbina Francis de flujo mixto hacia una máquina más rápida y de mayor capacidad de flujo. Esta última consideración es importante por el hecho de que en una instalación hidroeléctrica hay que compensar la escasez de altura acrecentado el caudal. La gama de alturas más usuales para este tipo de turbina abarca desde 10 ft a 120 ft, siendo 200 ft la altura máxima para máquinas pequeñas.

El despegue y la cavitación resultan inevitables en el interior de las turbinas de hélice que funcionan a velocidades muy altas, siendo el inicio de la cavitación lo que marca el límite máximo de la altura admisible.

Desgraciadamente, la curva potencia- rendimiento de una turbina de hélice con álabes fijos presenta un máximo muy acusado, lo que indica unas características de funcionamiento muy pobres a carga parcial. El problema fue resuelto en los comienzos de 1920 por Víctor Kaplan, profesor en Checoslovaquia, que creó una turbina en la que el ángulo de los álabes se ajustaba automáticamente según la carga, estando el mecanismo de accionamiento en la ojiva y en el interior del árbol vertical. Aunque la turbina Kaplan es mucho más costosa, la mejora de los resultados a carga parcial es tal, que la turbina con álabes fijos sólo se instala en emplazamientos donde la altura y la carga son constantes.



La instalación general no difiere grandemente de la que hemos visto para la turbina Francis. Los álabes directores comunican al agua una componente rotacional, a lo que sigue una desviación hacia la dirección del eje. Al acercarse al rodete, el movimiento del fluido se aproxima al de un vórtice espiral libre (vr=constante). La componente rotacional es absorbida por el rodete, con lo que la velocidad de salida es totalmente axial. El tubo de aspiración cumple la misma misión que en la turbina Francis y su forma es similar.

La turbina tipo bulbo o tubular constituye un interesante avance en el aprovechamiento de pequeñas alturas. Consta de un rodete de hélice con álabes fijos, o tipo Kaplan, colocado axialmente dentro de un corto conducto forzado; el generador va acoplado directamente al rodete y eswtá alojado en un bulbo inmerso en el flujo entrante. La entrada y la salida se han de diseñar de forma que sean mínimas las pérdidas de energía. Se calcula que la inversión que exige una instalación completa es un 40% que correspondería a la instalación Kaplan equivalente.

4.4.4 TURBINAS DE VAPOR DE ACCIÓN

Las turbinas son máquinas de flujo permanente, en las cuales el vapor entra por las toberas y se expansiona hasta una presión más pequeña. Al hacerlo el chorro de vapor, adquiere una gran velocidad. Parte de la energía cinética de este chorro es cedida a los álabes de la turbina, de la misma manera que un chorro de agua cede energía a los cangilones de una rueda hidráulica. Las turbinas que utilizan el impulso del chorro para mover los álabes se denominan turbinas de acción (fig. 4.17).



En ellas las toberas son fijas y van montadas sobre el bastidor. Pero también es posible construir la turbina de manera que los espacios comprendidos entre los álabes tengan la forma de toberas.

Figura 4.17

V.BIBLIOGRAFIA "Turbinas de Vapor", Greene Richard. "Turbinas", Webber, Norman Bruton. "Turbinas Hidráulicas", http:/ /w3.iwcc.com/~brawner/grupos3-

en.html; http:/ /perso.wanadoo.fr/euvrie/html/body_turbines.html; http:/ /axp1.iie.org.mx /IIE /lineas/linea5.htm.

" Turbomáquinas térmicas", Claudio Mataix, año 1973, Editorial Dossat S.A.

Manual de mantenimiento industrial. Robert C. Rosaler. James O. Rice. Tomo III



Editorial McGraw-Hill Instrumentación para medición y control. W. G. Holzbock. Publicaciones C.E.C. s.a


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