1. Fundamentos de la Neumática y el Aire Comprimido

El aire comprimido se utiliza habitualmente en rangos de entre 6 y 12 bares (12 kp/cm²). La neumática se define como la técnica para la automatización de procesos, basada en la utilización del aire comprimido como energía de trabajo.

1.1. Composición y Propiedades Físicas

La mezcla de gases del aire: se compone de un 78% en volumen de nitrógeno y un 21% en volumen de oxígeno.

• Caudal (qv): se expresa en metros cúbicos por segundo (m³/s).
• Presión (P): se mide en Pascales (Pa).
• Antideflagrante S=F/P: En el Sistema Internacional, 1 Pascal = 1 N/m².
• Equivalencias: 1 bar = 10⁵ Pa = 100 kPa = 0,1 MPa = 10⁵ N/m².
• Otras unidades: 1 kp/cm² = 0,981 bar = 0,968 atm.

1.2. Tipos de Presión y Caudal

Presión efectiva o relativa: es la diferencia entre la presión en un recipiente menos la presión atmosférica; se mide con un manómetro. La fórmula fundamental es P = F / S, donde f es la fuerza perpendicular a la superficie y s es la superficie.

Depresión: es el rango de valores de presión por debajo de la presión atmosférica. El vacío correspondería a presiones nulas.

Presión absoluta: es la suma de la presión atmosférica más la presión relativa.

Caudal másico: es la cantidad de masa que atraviesa una superficie en la unidad de tiempo.

Caudal volumétrico: es el volumen de fluido que atraviesa una determinada sección transversal de una conducción por cada unidad de tiempo.

Relación entre caudal másico y volumétrico: están relacionados por la densidad del fluido, que en el caso de los gases es variable con la presión y la temperatura: Q = V / t = S * L / t = S * v. Siendo: Q = Caudal; L = Longitud; V = Volumen; t = Tiempo; S = Sección; v = Velocidad.

Temperatura absoluta: se calcula como T = t_celsius + 273.

2. Leyes de los Gases Perfectos

• Ley de Boyle-Mariotte: A temperatura constante, el volumen de un gas encerrado en un recipiente rígido es inversamente proporcional a la presión absoluta. El producto de la presión absoluta y el volumen es constante: P1 * V1 = P2 * V2 = P3 * V3 = constante.
• Ley de Gay-Lussac: Por cada grado centígrado que se aumente la temperatura de un gas a presión constante, su volumen aumenta en 1/273. V1 / V2 = T1 / T2 a P constante.
• Ley de Charles: A volumen constante, la presión absoluta es directamente proporcional a la temperatura absoluta: P / T = constante considerando V constante.
• Ecuación de los gases perfectos: (P1 * V1) / T1 = (P2 * V2) / T2 = constante, o bien P * V = n * R * T.

3. Humedad en el Aire

Humedad absoluta: Es la cantidad de vapor de agua contenida en un m³ de aire (g/m³).

La cantidad saturada: es la cantidad máxima de vapor de agua que puede absorber un m³ de aire a una temperatura determinada.

Humedad relativa (Hr): es el porcentaje de la humedad de saturación. Se calcula como Hr = (mv / ms) * 100 en %.

4. Sistemas Neumáticos y Compresores

Un sistema neumático se compone de tres subsistemas principales: Producción, Distribución y Utilización.

Los compresores se comparan por su caudal o por su relación de compresión. La relación de compresión es un número adimensional que relaciona las presiones de entrada y salida del aire.

4.1. Tipos de Compresores

Compresores Alternativos

• Émbolo de 1 etapa: desde 6 bar hasta un máximo de 10 bar. La temperatura del aire de salida es de 180º C.
• Émbolo de 2 etapas: la temperatura final es de 130º C. Se pueden alcanzar hasta 15 bares (típico solo 8 bares en la primera etapa de baja presión de 2 a 3 bares y en la segunda etapa de alta presión 8 bares).
• Diafragma: proporciona aire comprimido seco hasta a 5 bares y totalmente libre de aceite.

Compresores Rotativos

• Paletas: La lubricación y estanqueidad se obtienen inyectando aceite. El aceite actúa como refrigerante limitando la temperatura a 190º C. Son silenciosos y con caudal constante. Presiones de 8 a 10 bares (comunes de 0,5 a 4 bares), con caudales entre 100 y 2500 m³/h.
• Tornillo: Compresores de bajo desgaste, silenciosos y ventajosos a largo plazo. Proporcionan caudales continuos de hasta 400 m³/minuto a presiones entre 7 y 14 bares.

Turbocompresores

Manejan presiones reducidas pero gran caudal (220.000 m³/h). Transforman energía cinética en potencial. Existen dos familias: radiales y axiales.

5. Instalaciones Eléctricas y Seguridad

Arrancador suave: Sustituye al arranque estrella-triángulo, realizando una limitación de la corriente de arranque de una forma eficiente.

5.1. Anomalías y Riesgos Eléctricos

• Sobrecarga: cuando la corriente eléctrica aumenta por encima de la intensidad máxima determinada para la instalación.
• Cortocircuito: intensidades mucho mayores de lo habitual producidas por una resistencia cercana a cero.
• Contacto directo: accidente al tocar directamente un cable con tensión.
• Contacto indirecto: accidente al tocar un punto que en condiciones normales no debería tener tensión.
• Sobretensión: tensiones mayores de las normales en la red. Pueden ser transitorias (rayos) o permanentes (pérdida de neutro).

5.2. Cálculo de Secciones

Sección por caída de tensión: Uc = I * Rc (donde Uc es la caída de tensión y Rc la resistencia del conductor).

Sección por calentamiento o sobrecarga: Depende de la canalización y el aislamiento. Si el cable supera su temperatura máxima, se daña el aislante. Se utilizan tablas según el tipo de aislante (termoplástico o termoestable), tipo de canalización y si la línea es trifásica o monofásica.

5.3. Fórmulas de Cálculo

En función de la potencia:

• Monofásica: S = (2 * L * P) / (AU * U * conductividad)
• Trifásica: S = (L * P) / (AU * U * conductividad)

En función de la intensidad y el coseno de fi (cos φ):

• Monofásica: S = (2 * L * I * cos φ) / (AU * conductividad)
• Trifásica: S = (√3 * L * I * cos φ) / (AU * conductividad)

Donde: AU = caída de tensión, P = potencia activa, U = tensión de línea, L = longitud de la línea.

5.4. Normativa REBT

Caídas de tensión máximas permitidas:

• AU relativa %: (AU / U) * 100. En alumbrado máx. 3% y en fuerza 5%.
• AU absoluta: U * (AU% / 100).
• Conductividad: 1 / resistividad.