neumatica industrial festo

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NEUMATICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fernando Ballén Cárdenas 
 
 
 
 
 
 
 
 
CONVENIO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
NEUMATICA INDUSTRIAL 1 
 
INTRODUCCION 
 
 
 
 
 
Ante la gran aplicación industrial que tiene la técnica 
neumática de mando, surge la necesidad de capacitar al 
personal que trabaja directa o indirectamente con 
maquinaria, dispositivos y equipos que utilizan el aire 
comprimido como elemento para transmitir energía y o 
señales de control. 
 
 
Con el fin de plantear una alternativa de formación al 
personal en mención, se han diseñado los cursos de 
extensión académica, dirigidos a los estudiantes de la 
institución, técnicos, tecnólogos y profesionales que 
en su campo de trabajo interactúen con ésta tecnología. 
 
 
Para facilitar el aprendizaje se ha optado por el método 
TEORICO-PRACTICO, apoyándose en estas guías que sirven de 
soporte teórico y bibliográfico al curso de extensión. En 
este material se presenta un esbozo general de cada tema, 
haciendo énfasis en los puntos más aplicables en la 
práctica y que se presentan de forma didáctica (figuras y 
gráficos) para facilitar su comprensión y posterior 
aplicación. 
 
 
Adicionalmente, se trabaja sobre bancos de prueba que son 
herramientas de gran utilidad para facilitar el montaje y 
ensamblaje de circuitos propuestos, por los 
participantes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
NEUMATICA BASICA 
 
 
UNIDAD 1. 
 
 
NEUMATICA INDUSTRIAL 2 
PRINCIPIOS BASICOS DE LA NEUMATICA 
 
 
1.1. INTRODUCCION A LA NEUMATICA 
 
 
El aire comprimido es conocido por el hombre desde épocas remotas, ya 
que escritos que datan del siglo I de la era cristiana, mencionan la 
utilización del aire comprimido para la obtención de energía y 
específicamente el accionamiento de mecanismos mediante aire 
caliente. 
Sin embargo solo hasta el siglo pasado se empezó a estudiar e 
investigar el comportamiento y las propiedades del aire comprimido, 
llegando a tener aplicaciones en procesos industriales desde la 
decada de los 50, cuando se descubrió la facilidad de racionalizar y 
automatizar a través de la técnica neumática. 
 
El aire comprimido ha experimentado en estos últimos tiempos un auge 
inusitado debido a su alto poder de adaptación a cualquier sistema de 
trabajo organizado, siendo evidente que sus cualidades innatas lo 
hacen recomendable para ejecutar labores que difícilmente pueden 
cubrir otras energías que carezcan de la flexibilidad que lleva 
implícita el aire comprimido. 
 
Los términos neumático y neumática se derivan de la expresión griega 
pneuma, que significa hálito, soplo, aire. El aire para las 
aplicaciones de la neumática lo obtenemos del manto gaseoso con el 
que está envuelta la tierra y especialmente, de la parte mas cercana 
llamada troposfera. 
 
 
1.1.1. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL AIRE COMPRIMIDO 
 
 
El ser humano, sin saberlo, lleva representado en sus pulmones el 
compresor mas antiguo de la historia y el mas natural, pudiendo 
tratar 100 litros de aire por minuto, ejercen una presión de 0,02 - 
0,08 bar. En estado de salud normal, este compresor humano posee una 
seguridad inigualable y los costos de funcionamiento son casi nulos. 
 
La impulsión del aire para conseguir un fin útil, figura inmerso 
desde épocas prehistóricas en las vivencias del hombre, ejemplos: Los 
cazadores utilizando la cerbatana para lanzar una flecha, la acción 
de soplar para encender y activar el fuego; actualmente el inflar una 
bomba para el adorno de eventos familiares, etc. 
 
Como primer compresor mecánico se puede citar el fuelle manual, que 
no fue inventado hasta el tercer milenio antes de Cristo y el fuelle 
de pie, que no comenzó a emplearse hasta unos mil quinientos años 
antes de nuestra Era. Las primeras máquinas soplantes sirvieron para 
suministrar aire de combustión a los hornos de fundición y en la 
ventilación de explotaciones mineras. 
 
El conocimiento y las aplicaciones empleando aire comprimido, tomaron 
consistencia científica a partir de la segunda mitad del siglo XVII, 
cuando el estudio de los gases es el objeto de científicos como 
Torricelli, Pascal, Boyle, Marriotte, Gay Lussac, etc, desarrollando 
formulaciones prácticas para lograr una mayor eficiencia en el uso de 
esta técnica. 
 
 
NEUMATICA INDUSTRIAL 3 
Los sucesos mas notables acaecidos en el avance del manejo del aire 
comprimido podemos resumirlos, por orden cronológico como sigue: 
 
1650. Otto Von Guericke inventa la bomba de aire. 
 
1688. Denis Papin sugiere la utilización del aire por tubos 
neumáticos. 
 
1717. El Dr. Edmund Halley descubre la campana de buzo. 
 
1762. John Smeaton crea el cilindro soplante. 
 
1776. La primera máquina soplante de la historia salió de Wilkinson y 
fue instalada en su factoría de Wilby, en Inglaterra, siendo el 
prototipo de todos los compresores mecánicos. 
 
1800. Comienza a estudiarse el empleo del aire comprimido como medio 
de transmisión de energía, al comprobar que el vapor, debido a su 
rápido enfriamiento y condensación, solo podía emplearse en 
distancias cortas. 
 
1810. M. Medhurst construye un compresor. 
 
1822. Jalabert, en Francia, obtiene la primera patente para un motor 
de aire comprimido. 
 
1845. Triger envía el aire comprimido al fondo de una mina francesa, 
a una profundidad de 160 m. 
 
1851. J.W. Fowle inventa el perforador a percusión. 
 
1857. La primera gran prueba de utilización del aire comprimido en 
gran escala fue con motivo de la perforación del túnel de Mont-Cenis, 
en los Alpes suizos, para el ferrocarril de doble vía, con una 
longitud de 13,6 Km. 
 
1861. German Sommeiller, ingeniero jefe de túnel, construyó sus 
propias perforadoras de percusión que fueron utilizadas en este 
túnel, siendo 40 las personas que trabajaron en el vagón perforador. 
 
1865. Fue construida la instalación de correo neumático de París. 
Viena y Berlín le siguieron en el transcurso de los años 1874 y 1875. 
 
1869. Westinghouse inscribe la patente de invención del freno de aire 
comprimido. 
 
1881. Se instaló en París una central de producción de aire 
comprimido para el mando de un nuevo tipo de reloj que siempre 
marcaba la hora exacta, accionado por los impulsos de aire que 
llegaban desde la planta. Este sistema de reloj se introdujo 
rápidamente hasta llegar a tener unos 800 relojes repartidos en toda 
la capital. 
 
1888. Funciona en París la primera central de compresores. Víctor 
Popp había obtenido permiso para utilizar el sistema de 
alcantarillado y montar una red distribuidora de aire comprimido que 
se extendería por toda la ciudad. 
 
1891. El profesor Riedler construyó, para esta instalación, el primer 
gran compresor de dos escalones. 
 
 
NEUMATICA INDUSTRIAL 4 
1891. Se suscitaron vivas controversias sobre la rentabilidad del 
aire comprimido como fuerza motriz en competencia con la máquina de 
vapor, el motor de gas y la electricidad. 
 
1934. El profesor Lysholm presenta en Suecia su patente del compresor 
de tornillo, con dos rotores circulares. Por el año 1878 se mostró en 
Alemania un compresor helicoidal que consta de un solo rotor tallado 
en forma helicoidal. A partir de la patente inicial, hasta que tomó 
forma industrial, sucedieron varias modificaciones. 
 
1950. A principios de la década de los 50 la producción de 
compresores a tornillo se realiza en cantidades considerables, no 
cejando en su experimentación hasta encontrar el diseño actual de los 
compresores a tornillo. 
 
1965. Aparece el término fluídica, que se empleó específicamente por 
vez primera en un artículo especial aparecido el 8 de febrero de 
1965, publicado por Missiles and Rockets. 
 
La investigación sobre el campo de las aplicaciones del aire 
comprimido no han terminado aún. Los robots neumáticos de 
manipulación manual, los autómatas programables y otras diversas 
presentaciones de tecnologías, no han hecho perder en nada, el 
atractivo de la neumática en la nueva generación tecnológica. 
 
 
1.1.2. VENTAJAS DEL AIRE COMPRIMIDO 
 
• Transportable. Debido a su compresibilidadse puede almacenar y 
transportar en recipientes o a través de tuberías. 
 
• Limpio. No produce residuos contaminantes lo que permite utilizarlo 
en muchas industrias como laboratorio, de alimentos, textiles entre 
otros. 
 
• Rápido. Permite elevadas velocidades de trabajo que pueden ser 
facilmente regulables. 
 
• Antideflagrante. No produce riesgo de explosión ni incendio. 
 
• Abundante. Existe en grandes cantidades en cualqier parte del 
mundo . 
 
• Temperatura. El aire comprimido no pierde eficiencia aún a 
temperaturas elevadas. 
 
• Sobrecargable. No hay riesgo de averiar elementos neumáticos de 
trabajo, puesto que estos paran en caso de sobrecarga de los 
sistemas. 
 
 
1.1.3. LIMITANTES DEL AIRE COMPRIMIDO 
 
• Fuerza. Presenta limitación por carga, máximo 2 toneladas. 
 
• Preparación. Requiere procesos y elementos costosos para eliminar 
la humedad que contiene, ya que puede causar daños a elementos de 
trabajo e inclusive al mismo proceso en que se encuentre implicado. 
• Ruido. presenta elevados niveles de ruido en los exostos. 
 
NEUMATICA INDUSTRIAL 5 
 
• Compresibilidad. Debido a esta no se pueden obtener movimientos 
uniformes ni precisos. 
 
 
1.1.4. COMPOSICION DEL AIRE COMPRIMIDO 
 
El aire se obtiene naturalmente tomándolo de la tropósfera y está 
constituído básicamente por: 
 
aproximadamente 78% de nitrógeno en volumen 
 21% de oxígeno 
 1% de bióxido de carbono, monóxido de 
carbono, vapor de agua y los gases nobles ( helio, neón, argón, 
criptón, zenón, radón ). La densidad del aire en esta capa es de 
1,293 Kg./m3. 
Esto sin contar los demás gases contaminantes que a diario se 
expelen a la atmósfera. 
 
Para manejar fácilmente la tecnología neumática, se deben conocer muy 
bien los siguientes conceptos físicos: Presión, Caudal, 
Temperatura y Humedad. 
 
 
1.2. PRESION 
 
Se define como la FUERZA POR UNIDAD DE AREA. Por ejemplo, dentro de 
una jeringa que contenga aire, la presión a la que este estará 
sometido, es la relación entre la fuerza que se aplica sobre el 
émbolo y el área del mismo, es decir: 
 
 Fuerza 
PRESION = ------------ 
 Area 
 
Cuyas unidades de medida son el Pascal (Pa) = N / m2 
 
el Bar = 105 Pa ó; en unidades inglesas - psi = 1lb / plg2 
 
• Patm: Presión Atmosférica se origina por el peso de las capas de 
aire de la atmósfera. Varía según las condiciones climáticas y 
según la altura sobre el nivel del mar. Su valor allí es de 1.013 
bar o 760 mm de Hg (mercurio), se mide con un aparato llamado 
 
NEUMATICA INDUSTRIAL 6 
Barómetro por lo que se le llama también Presión Barométrica. Se 
debe tener en cuenta el cálculo de la fuerza de la presión 
atmosférica en función de la altura del lugar de trabajo, respecto 
al nivel del mar. Hasta 2000m de altura la presión se reduce cerca 
del 1%, cada 100 metros. El mérito de haber determinado 
experimentalmente el valor de la Presión Atmosférica, se lo 
debemos a Evangelista Torricelli y Vincenzo Viviani, ambos 
discípulos de Galileo Galilei. 
 
• Prel : Presión Relativa o Sobre Presión, es la que se origina en 
una tubería por compresión del fluído allí conducido. Es la presión 
que comunmente se mide y controla en un sistema neumático o 
hidráulico. Para medirla se utiliza el manómetro de allí que 
tambien se le llama Presión Manométrica. 
 
• Pabs : Presión Absoluta es la que se toma como punto de referencia 
al cero absoluto y corresponde a la suma algebráica de la Presión 
Atmosférica y la Presión Relativa. 
 
• Pvac : Subpresión o Presión de Vacío, cuando el valor de la 
Presión Relativa está por debajo de la atmosférica. En este caso 
corresponde a la presión de succión en un compresor, en un 
ventilador o en una bomba hidráulica. 
 
 Fisicamente hay solamente una clase de Presión y esa es la que 
comienza desde 0 ó 
 vacío absoluto. Todo por encima de cero ( 0 ) es presión y 
correctamente llamada 
 presión absoluta. La presión atmosférica normal es usada como 
factor de referencia, por 
 lo cual, se usan las palabras presión positiva ó presión 
negativa. El vacío se emplea 
 como técnica para el transporte de materiales y tiene a su vez 
todo un tratado acerca de 
 esta tecnología. 
 
 La presión que comunmente se utiliza es la relativa o 
manométrica. Para medirla se usa 
 entre otros el manómetro de tipo tubo Bourdon, cuyo esquema de 
funcionamiento se 
 muestra en la Figura 1. 
 
 
1.3. CAUDAL 
 
Se define el caudal como el volúmen de aire que fluye en la unidad de 
tiempo. En el sistema internacional S.I., la unidad de medida es el 
m3 /s, pero se utilizan también otras unidades de menor magnitud como 
el l /min o en el sistema inglés el pie3 /min o cfm. 
 
En los equipos de generación de aire comprimido ( compresores ) se 
indica su capacidad de acuerdo al caudal que producen. Este valor 
siempre corresponde al volúmen de aire aspirado por la máquina a 
presión cero, el cual se indica de acuerdo a la unidad de medida 
como: Nm3 /s o Nl /min o Scfm. 
Si se quiere calcular el caudal de un compresor del cual solo 
conocemos la potencia del motor que lo acciona, se utiliza la 
relación aproximada de 1hp = 4 Scfm. Este valor lo da la práctica y 
sirve para formarse una idea de la capacidad de un compresor. 
 
NEUMATICA INDUSTRIAL 7 
 
 
1.4. LEYES DE LOS GASES 
 
Todos los cuerpos aeriformes, es decir los gases, tienden a 
expandirse y comprimirse de acuerdo al estado de sometimiento en que 
se encuentren. 
 
A pesar de ser una mezcla de varios gases, el aire se comporta como 
cualquier gas simple es compresible y ocupa todo el espacio del 
recipiente que lo contenga, determinando por demas que cumple con la 
ley general de los gases, teniendo ademas relación directa a los 
cambios de Presión, Volúmen y Temperatura. 
 
 
 
 
 
NEUMATICA INDUSTRIAL 8 
 
Figura1. MANOMETRO DE TUBO BOURDON TIPO ´C´ 
1.4.1. LEY DE BOYLE - MARIOTTE: Es la ley que relaciona el volumen 
con la presión, de modo que si un gas es obligado a ocupar un volumen 
inferior al que originalmente lo contiene, este aumentará su presión 
en forma directa y proporcional a la disminución de volumen, es 
decir, si la presión se duplica, el volumen de la masa gaseosa se 
reduce a la mitad; igualmente si la presión se reduce a un tercio, el 
volumen de la masa gaseosa se triplica. Este proceso requiere que la 
temperatura sea constante ( isotérmico ) . 
El volúmen ocupado por una masa a temperatura constante es 
inversamente proporcional a la presión a la que se encuentre 
sometida. ( Ver Figura 2 ). 
 
 
P1.V1 = P2.V2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
P1 V1 
 
 
 
P2 V2 
 
 
 
Figura 2. LEY DE BOYLE - MARIOTTE 
 
 
 
EJERCICIO: 
- Un tanque de volumen igual a 2m3 contiene aire ( u otro gas ) a la 
presión de 5 BAR. 
¿ Que cantidad de aire libre está contenida en el tanque ? 
 
Presión inicial P1 = 5 BAR Volumen 
inicial V1 = 2 m
3 
Presión final P2 = 1 BAR Volumen final 
V2 = ? 
 
Transcribamos la fórmula y después sustituyamos los símbolos por los 
valores numéricos dados en el problema; la incógnita es decir, el 
volumen final lo indicaremos con la letra X. 
 
 
 
5 . 2 
P1 . V1 = P2 . V2 5 BAR . 2 m
3 = 1 BAR . X X = 
= 10 m3 
 
NEUMATICA INDUSTRIAL 9 
 
1 
 
 
 
1.4.2. LEY DE GAY - LUSSAC : Esta ley relaciona la temperatura 
con el volúmen ocupado por el gas, de modo que el volúmen es 
directamente proporcionala la temperatura absoluta del gas. Para 
ello se requiere que el proceso sea a presión constante ( isobárico 
). Ver Figura 3. 
 
 
 
 V1 T1 
 ----- = ----- = CONSTANTE 
 V2 T2 
 
 
 
 RECIPIENTE CERRADO 
 
 
 
 AIRE 
 
 
 
 CALOR 
 
 
Figura 3. LEY DE GAY - LUSSAC 
 
 
Todos los cuerpos, cualquiera que sea su estado ( sólido, líquido ó 
gaseoso ), experimentan cambios en su volúmen cuando son sometidos a 
cambios de Temperatura. Esto intuye, por lo tanto, que una variación 
de Temperatura producirá efectos no solamente sobre el volúmen sino 
también sobre la presión. 
 
 
EJERCICIO 
 
 Un gas ocupa 0,5 m3 en un recipiente, a un valor de temperatura de 
250 ºF. ¿ Cual será 
 su volúmen a 350 ºF si la presión se mantiene constante ? 
 
 V1 = 0,5 m
3 T1 = 250 ºF 
 
 V2 = ? T2 = 350 ºF 
 
 
 Sustituyendo los valores conocidos tenemos: V1 : V2 = T1 : T2 
0,5 : V2 = 250 : 350 
 
 
 
 0,5 m3 . 350 
 V2 = -------------------- = 0.7 m
3 
 250 
 
 
NEUMATICA INDUSTRIAL 10 
ECUACION GENERAL DE ESTADO. De las anteriores leyes se deduce 
entonces la ecuación general de estado de los gases, la cual se usa 
para el cálculo de gases ideales. 
 
 
 
 
 
 P1 . V1 P2 . V2 
 --------- = ---------- = 
CONSTANTE 
 T1 T2 
 
 
 
 
que se usa para el cálculo de gases ideales. 
 
 
1.5. HUMEDAD 
 
Además del N2, el O2 y los gases nobles, el aire contiene también 
vapor de agua cuya proporción depende básicamente de las condiciones 
climatológicas y de la temperatura del aire. Para cuantificarla se 
usan tres conceptos básicos como son: 
 
• HUMEDAD MAXIMA. Es la cantidad extrema posible de vapor de agua 
en un volúmen de aire, a determinada temperatura. Se denomina 
tambien grado de saturación (temperatura del punto de rocío). Para 
determinarlo se emplea la gráfica de humedad máxima. Ver Figura 
4. 
 
• HUMEDAD ABSOLUTA. Es el contenido real de vapor de agua por unidad 
de volumen. 
 
• HUMEDAD RELATIVA. Es la relación entre humedad absoluta y humedad 
máxima, se indica en porcentaje (%). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 H. absoluta 
 H. Relativa = --------------- x 100 
(%) 
 H. máxima 
 
 
 
 
 
 
 
 
NEUMATICA INDUSTRIAL 11 
 
 
 
 
 
Figura 4. GRAFICO DE HUMEDAD MAXIMA