## TEMA T10: Descripció i funcionament dels sistemes pneumàtics
### 1. Introducció a la Pneumàtica
La pneumàtica és la tecnologia que utilitza l'aire comprimit com a mitjà de transmissió d'energia per a generar moviment o realitzar treball. En el context de l'automatització industrial i, especialment, en aplicacions marítimes i de navegació, els sistemes pneumàtics són fonamentals per la seva robustesa, simplicitat i seguretat. A diferència dels sistemes hidràulics, que utilitzen líquids (oli), els sistemes pneumàtics empren un fluid compressible com és l'aire. Aquesta característica li confereix avantatges i desavantatges específics que es detallaran al llarg d'aquest tema.
Històricament, l'ús de l'aire per realitzar treballs es remunta a l'antiguitat, amb invents com els fuelles o els molins de vent. No obstant això, la pneumàtica moderna, tal com la coneixem avui, va començar a desenvolupar-se amb la revolució industrial i la necessitat d'automatitzar processos. A bord de les embarcacions, els sistemes pneumàtics tenen un paper crucial en una àmplia gamma de funcions, des del control de vàlvules de gran diàmetre i l'accionament de sistemes de frens, fins a la manipulació de càrregues i l'automatització de maquinària auxiliar. La seva fiabilitat en entorns sovint hostils i la inherència seguretat (l'aire no és inflamable i les fuites són menys perilloses que en hidràulica) els fan una opció preferent en moltes aplicacions navals.
El funcionament dels sistemes pneumàtics es basa en lleis fonamentals de la física que descriuen el comportament dels gasos. La comprensió d'aquests principis és essencial per al disseny, manteniment i operació eficient dels equips pneumàtics.
#### 2.1. Llei de Boyle-Mariotte
Aquesta llei estableix que, per a una massa determinada de gas a temperatura constant, el volum (V) és inversament proporcional a la pressió absoluta (P). És a dir, si la pressió augmenta, el volum disminueix proporcionalment, i viceversa. Matemàticament, s'expressa com:
$P_1 \cdot V_1 = P_2 \cdot V_2$
On $P_1, V_1$ són la pressió i el volum inicials, i $P_2, V_2$ són la pressió i el volum finals. Aquest principi és fonamental per entendre com un compressor redueix el volum de l'aire per augmentar-ne la pressió, emmagatzemant energia potencial que posteriorment es transformarà en treball.
#### 2.2. Llei de Charles o Llei de Gay-Lussac (Volum-Temperatura)
Aquesta llei indica que, per a una massa determinada de gas a pressió constant, el volum (V) és directament proporcional a la seva temperatura absoluta (T). Això significa que si la temperatura del gas augmenta, el seu volum també ho farà, i viceversa. S'expressa com:
$\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}$
En els sistemes pneumàtics, la temperatura de l'aire pot afectar el seu comportament i, per tant, l'eficiència del sistema. La compressió de l'aire provoca un augment de la temperatura, que ha de ser controlada per evitar danys als components i millorar el rendiment.
#### 2.3. Llei de Gay-Lussac (Pressió-Temperatura)
Aquesta segona llei de Gay-Lussac estableix que, per a una massa determinada de gas a volum constant, la pressió (P) és directament proporcional a la seva temperatura absoluta (T). Matemàticament:
$\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}$
Aquest principi és rellevant en el disseny de dipòsits d'aire comprimit, on un augment de la temperatura ambient o interna pot incrementar significativament la pressió, requerint mesures de seguretat.
#### 2.4. Llei dels Gasos Ideals
La Llei dels Gasos Ideals combina les lleis anteriors i proporciona una relació més completa entre la pressió, el volum i la temperatura d'un gas ideal. La seva expressió és:
$P \cdot V = n \cdot R \cdot T$
On $P$ és la pressió absoluta, $V$ el volum, $n$ la quantitat de substància (mols), $R$ la constant universal dels gasos ideals i $T$ la temperatura absoluta. Encara que l'aire real no és un gas ideal, aquesta llei ofereix una bona aproximació per a la majoria d'aplicacions pneumàtiques i és fonamental per als càlculs de disseny.
#### 2.5. Pressió i Cabal
* **Pressió:** És la força exercida per unitat de superfície. En pneumàtica, es mesura típicament en bar (bares) o psi (pounds per square inch). La pressió de treball habitual en sistemes industrials i marins sol oscil·lar entre 6 i 10 bar. És la responsable de generar la força necessària en els actuadors.
* **Cabal (o flux):** És la quantitat de volum d'aire que circula per una secció en una unitat de temps. Es mesura en litres per minut (l/min) o metres cúbics per hora (m³/h). El cabal és crucial per determinar la velocitat dels actuadors pneumàtics. Un cabal insuficient pot provocar moviments lents o erràtics.
### 3. Components dels Sistemes Pneumàtics
Un sistema pneumàtic complet es compon de diversos elements que treballen conjuntament per generar, condicionar, controlar i utilitzar l'aire comprimit.
#### 3.1. Generació d'Aire Comprimit: Compressors
Els compressors són màquines encarregades d'aspirar aire de l'atmosfera, reduir el seu volum i, conseqüentment, augmentar la seva pressió. Existeixen diversos tipus:
* **Compressors de desplaçament positiu:**
* **De pistó:** Són els més comuns. Un o diversos pistons es mouen dins d'uns cilindres per comprimir l'aire. Poden ser d'una o dues etapes, i el seu ús és extens en aplicacions on es requereix alta pressió.
* **De cargol (o helicoïdals):** Utilitzen dos rotors helicoïdals que giren engranats, comprimint l'aire a mesura que avança pels cargols. Són ideals per a un subministrament continu i sense polsacions de grans volums d'aire, típics en grans instal·lacions industrials i embarcacions.
* **De paletes:** Un rotor excèntric amb paletes lliscants gira dins d'una carcassa, comprimint l'aire en el procés. Són compactes i adequats per a potències mitjanes.
* **Compressors dinàmics (o turbocompressors):**
* **Centrífugs:** L'aire és accelerat radialment per un impulsor i comprimit per efecte centrífug. S'utilitzen per a grans volums d'aire i pressions mitjanes.
* **Axials:** L'aire flueix paral·lelament a l'eix del compressor, sent comprimit per etapes de rotors i estàtors. Són molt eficients per a aplicacions de molt gran cabal.
A bord d'un vaixell, els compressors solen ser de pistó o de cargol, seleccionats en funció de la demanda de cabal i pressió dels sistemes del vaixell (arrencada de motors, control de vàlvules, sistemes de neteja, etc.).
#### 3.2. Dipòsits d'Aire Comprimit (Calderins)
Els dipòsits, també anomenats calderins o acumuladors, tenen diverses funcions essencials:
* **Emmagatzematge:** Asseguren una reserva d'aire per a moments de màxima demanda o per mantenir la pressió en cas de parada temporal del compressor.
* **Atenuació de polsacions:** Redueixen les fluctuacions de pressió generades pels compressors de pistó.
* **Refredament i separació de condensats:** L'aire calent i humit provinent del compressor es refreda parcialment al dipòsit, provocant la condensació d'una part de l'aigua, que s'acumula al fons i ha de ser purgada regularment.
Els calderins han de complir amb normatives de seguretat estrictes, ja que són recipients a pressió.
### 4. Preparació i Tractament de l'Aire Comprimit
La qualitat de l'aire comprimit és crucial per a la vida útil i el rendiment dels components pneumàtics. L'aire de l'atmosfera conté humitat, partícules de pols i, sovint, olis procedents del mateix compressor. Si no es tracta, aquests contaminants poden provocar corrosió, desgast prematur, bloquejos i fallades en el sistema.
#### 4.1. Unitat de Manteniment (FRL: Filtre, Regulador, Lubricador)
La unitat de manteniment és un conjunt d'elements que es col·loca a prop del punt d'ús de l'aire comprimit per assegurar la seva qualitat òptima.
* **Filtre:** La seva funció és eliminar partícules sòlides (pols, rovell) i condensats (aigua, oli) de l'aire comprimit. Solen tenir un element filtrant amb una determinada mida de porus (per exemple, 5 o 40 micres) i una cubeta on s'acumula l'aigua que ha de ser purgada. Hi ha filtres especials, com els coalescents, per eliminar partícules d'oli molt fines.
* **Regulador de pressió:** Manté una pressió de sortida constant i estable, independent de les fluctuacions de pressió a l'entrada o de les variacions en el consum d'aire. Això protegeix els components pneumàtics i garanteix un funcionament consistent. Normalment inclou un manòmetre per visualitzar la pressió regulada.
* **Lubricador:** En molts sistemes pneumàtics (especialment els antics o els que utilitzen cilindres i vàlvules amb parts mòbils que requereixen oli), el lubricador afegeix una fina boira d'oli a l'aire comprimit per reduir la fricció i el desgast dels components. Els lubricadors més comuns són els de boira d'oli, on el flux d'aire aspira petites gotes d'oli d'un dipòsit. No obstant això, molts components pneumàtics moderns estan dissenyats per funcionar sense lubricació externa (sistemes "sense oli"), la qual cosa simplifica el manteniment i evita la contaminació ambiental. En aplicacions navals, la tendència és cap a sistemes sense lubricació per minimitzar la contaminació.
#### 4.2. Secadors d'Aire
L'eliminació de la humitat és crítica per a moltes aplicacions, ja que l'aigua pot causar corrosió, congelació (en ambients freds) i mal funcionament.
* **Secadors per refrigeració:** Refreden l'aire comprimit fins a un punt de rosada baix, provocant la condensació de la humitat. L'aigua es drena i l'aire sec es torna a escalfar lleugerament abans de sortir. Són eficients per a punts de rosada moderats (+3 °C).
* **Secadors per adsorció (o dessecants):** Fan passar l'aire per un material dessecant (com sílica gel o alúmina activada) que absorbeix la humitat. Quan el material se satura, es regenera (escalfant-lo o mitjançant un flux d'aire sec). Aconsegueixen punts de rosada molt baixos (-20 °C a -70 °C), crucials per a aplicacions que requereixen aire extremadament sec o en ambients freds.
### 5. Actuadors Pneumàtics
Els actuadors són els elements que transformen l'energia de l'aire comprimit en energia mecànica, generant moviment lineal o giratori.
#### 5.1. Cilindres Pneumàtics
Són els actuadors més comuns i produeixen un moviment lineal.
* **Cilindres de simple efecte:** Tenen una sola cambra d'aire i una sola connexió. L'aire comprimit actua en una direcció (per exemple, per estendre el pistó), i el retorn es realitza mitjançant una molla interna o una força externa (gravetat, càrrega). Són adequats per a aplicacions on es requereix força en un sol sentit i el retorn no és crític en termes de temps o força.
* **Cilindres de doble efecte:** Tenen dues cambres d'aire i dues connexions. L'aire comprimit es pot aplicar alternativament a cada cambra per produir moviment en ambdues direccions (avanç i retrocés del pistó). Són els més utilitzats, ja que permeten un control total sobre el moviment en ambdós sentits.
* **Cilindres sense tija:** S'utilitzen quan es requereixen curses llargues i espai compacte. El carro del cilindre es mou directament, sense una tija externa.
Els cilindres es caracteritzen pel seu diàmetre (que determina la força que poden exercir) i la seva cursa (la longitud del desplaçament del pistó). La força teòrica d'un cilindre es calcula com $F = P \cdot A$, on $P$ és la pressió i $A$ és l'àrea efectiva del pistó.
#### 5.2. Motors Pneumàtics (Rotatius)
Converteixen l'energia de l'aire comprimit en moviment de rotació continu.
* **De paletes:** Similar als compressors de paletes, però funcionant en sentit invers, l'aire fa girar un rotor amb paletes.
* **De pistons:** Poden ser de pistó axial o radial, on l'aire mou els pistons que accionen un cigonyal.
* **De turbina:** L'aire a alta velocitat incideix sobre les pales d'una turbina, fent-la girar.
Els motors pneumàtics són lleugers, compactes, resistents a les sobrecàrregues (s'aturen sense danyar-se) i segurs en atmosferes explosives, cosa que els fa aptes per a eines portàtils o maquinària en entorns perillosos, inclosos certs compartiments de vaixells.
### 6. Vàlvules de Control Pneumàtic
Les vàlvules són els "cervells" del sistema pneumàtic, encarregades de controlar el flux, la pressió i la direcció de l'aire comprimit cap als actuadors.
#### 6.1. Vàlvules Distribuïdores (o de Vies)
Controlen la direcció del flux d'aire. Es designen per dos números: el primer indica el nombre de vies (connexions) i el segon el nombre de posicions de commutació.
* **Vàlvula 3/2 (3 vies / 2 posicions):** Tenen tres vies (entrada de pressió, sortida de treball, escapament) i dues posicions. S'utilitzen principalment per a controlar cilindres de simple efecte.
* **Vàlvula 5/2 (5 vies / 2 posicions):** Tenen cinc vies (entrada de pressió, dues sortides de treball, dos escapaments) i dues posicions. Són ideals per al control de cilindres de doble efecte.
* **Vàlvula 5/3 (5 vies / 3 posicions):** Similar a la 5/2, però amb una posició central addicional que pot bloquejar totes les vies, permetre l'escapament o pressuritzar ambdues cambres del cilindre (flotació). S'utilitzen per a aplicacions que requereixen una parada intermèdia del cilindre o un control més complex.
Els modes d'accionament poden ser manuals (polsador, palanca), mecànics (rodet, lleva), pneumàtics (pilotatge per aire) o elèctrics (solenoide). Aquests darrers són molt habituals per a la integració amb sistemes de control elèctric o electrònic (PLC).
#### 6.2. Vàlvules de Bloqueig i Retenció
* **Vàlvules de retenció (anti-retorn):** Permeten el flux d'aire en una sola direcció i el bloquegen en la contrària. S'utilitzen per a mantenir la pressió en una part del circuit o per protegir components.
* **Vàlvules de tancament:** Simples vàlvules de pas per aïllar una part del circuit.
#### 6.3. Vàlvules de Pressió
* **Vàlvules limitadores de pressió (de seguretat):** S'obren quan la pressió supera un valor preestablert, alliberant l'excés d'aire a l'atmosfera per protegir el sistema de sobrepressions.
* **Vàlvules reductores de pressió (reguladors):** Ja esmentades en la unitat FRL, mantenen una pressió de sortida constant.
#### 6.4. Vàlvules de Cabal
* **Vàlvules estranguladores:** Redueixen la secció de pas de l'aire per disminuir el cabal, controlant així la velocitat dels actuadors pneumàtics. Poden ser unidireccionals (amb vàlvula anti-retorn incorporada) o bidireccionals. L'estrangulació pot afectar l'avanç o el retrocés del cilindre.
* **Vàlvules de descàrrega ràpida:** Permeten evacuar ràpidament l'aire d'una cambra d'un cilindre directament a l'atmosfera, augmentant la velocitat del moviment.
### 7. Circuits Pneumàtics Bàsics
Un circuit pneumàtic és una combinació de components connectats per realitzar una seqüència de moviments o una funció específica. Els circuits es representen mitjançant símbols gràfics estandarditzats (ISO 1219).
#### 7.1. Control Directe d'un Cilindre de Simple Efecte
Un polsador (vàlvula 3/2) connectat directament al cilindre. Quan es prem el polsador, l'aire entra al cilindre, el pistó avança; en deixar anar el polsador, la molla retorna la vàlvula a la seva posició inicial i l'aire s'escapa, retrocedint el pistó.
#### 7.2. Control Directe d'un Cilindre de Doble Efecte
Una vàlvula distribuïdora 5/2 (amb accionament manual, per exemple) connectada al cilindre. En una posició, l'aire entra per una cambra i surt per l'altra, avançant el pistó; en l'altra posició, els fluxos s'inverteixen, retrocedint el pistó.
#### 7.3. Control Indirecte (Pilotatge)
S'utilitza una vàlvula auxiliar (pilot) de menor potència per accionar una vàlvula principal de major potència. Això és útil quan la vàlvula principal està lluny del punt de control o requereix una força d'accionament gran. Per exemple, un petit polsador pneumàtic (vàlvula 3/2) que envia un senyal d'aire a un dels pilotatges d'una vàlvula 5/2 biestable (amb accionament pneumàtic).
#### 7.4. Circuits Lògics Bàsics
* **Funció AND (i):** Requereix que dues o més condicions es compleixin simultàniament. Es realitza amb una vàlvula de doble pilotatge o amb dues vàlvules en sèrie. Exemple: el cilindre només avança si es premen dos polsadors alhora.
* **Funció OR (o):** Requereix que una de dues o més condicions es compleixi. Es realitza amb una vàlvula selectora de circuit (o vàlvula "O"). Exemple: el cilindre avança si es prem un polsador O un altre.
* **Temporització:** Per retardar l'activació o desactivació d'un actuador. Es fa amb vàlvules de temporització (combinació d'un regulador de cabal, un dipòsit petit i una vàlvula 3/2).
### 8. Aplicacions dels Sistemes Pneumàtics en la Navegació
Els vaixells moderns fan un ús extensiu de la pneumàtica per la seva fiabilitat, robustesa i seguretat en entorns marins.
* **Arrencada de motors principals i auxiliars:** Els grans motors dièsel marins s'arranquen amb aire comprimit a alta pressió (generalment 30 bar). L'aire s'injecta als cilindres per posar el cigonyal en moviment fins que el motor pot arrancar per combustió pròpia.
* **Control i automatització de vàlvules:** Moltes vàlvules a bord (de combustible, lastre, aigua de refrigeració, etc.) s'accionen pneumàticament des del pont o la sala de màquines, especialment les de gran diàmetre, on l'accionament manual seria inviable.
* **Sistemes de frens:** En cabrestants, molinets, maquinària de coberta i, en alguns casos, sistemes de propulsió, s'utilitzen frens activats pneumàticament.
* **Neteja i sagnat de sistemes:** L'aire comprimit s'utilitza per a netejar canonades, purgar sistemes de combustible o lubricant, o per a treballs de manteniment.
* **Eines pneumàtiques:** Martells, claus d'impacte, polidores, etc., són comuns a bord per a treballs de manteniment i reparació.
* **Sistemes d'automatització i control:** En general, la pneumàtica s'integra en sistemes de control de processament de càrrega, obertura i tancament de portes estances, i altres sistemes auxiliars.
* **Sistemes de senyalització acústica:** Les sirenes de boira i els xiulets dels vaixells funcionen sovint amb aire comprimit.
* **Control de toveres de propulsió (bow thrusters):** Alguns sistemes de propulsió transversal utilitzen la pneumàtica per controlar la posició de les paletes o per la posada en marxa.
### 9. Avantatges i Desavantatges dels Sistemes Pneumàtics
Com qualsevol tecnologia, la pneumàtica presenta una sèrie de pros i contres que cal considerar en el seu disseny i aplicació.
#### 9.1. Avantatges
* **Abundància de la font:** L'aire és gratuït i abundant, disponible en qualsevol lloc.
* **Neteja:** En cas de fuita, l'aire no contamina l'entorn com l'oli hidràulic. Això és important en indústries com l'alimentària o farmacèutica, i a bord on la neteja és un factor constant.
* **Seguretat:** L'aire no és inflamable ni explosiu, la qual cosa redueix el risc d'incendi. Resisteix bé les variacions de temperatura i té menor risc de sobrecàrrega.
* **Simplicitat de disseny i manteniment:** Els components pneumàtics solen ser més senzills de dissenyar, instal·lar i mantenir que els hidràulics o elèctrics equivalents.
* **Robustesa i durabilitat:** Resisteixen bé ambients agressius, vibracions i altes temperatures.
* **Velocitat d'actuació:** Els actuadors pneumàtics poden aconseguir altes velocitats de moviment.
* **Protecció contra sobrecàrregues:** En cas de bloqueig o sobrecàrrega, el sistema simplement s'atura sense danyar els components, ja que l'aire és compressible.
* **Fàcil regulació:** La pressió i el cabal es regulen de manera senzilla.
#### 9.2. Desavantatges
* **Compressibilitat de l'aire:** La característica principal de l'aire també és un desavantatge. Dificulta el control precís de la velocitat i la posició, ja que l'aire pot expandir-se o contraure's. Això genera moviments "elàstics" i menys precisos que en hidràulica.
* **Forces limitades:** Per a aplicacions que requereixen forces molt elevades, la pneumàtica no és la millor opció. L'hidràulica pot generar forces molt superiors amb actuadors de menor grandària.
* **Preparació de l'aire:** La necessitat d'un tractament exhaustiu de l'aire (filtrat, assecat, regulació) incrementa la complexitat i el cost del sistema.
* **Soroll:** L'escapament d'aire a l'atmosfera pot generar soroll considerable, que sovint requereix l'ús de silenciadors.
* **Consum energètic:** La generació d'aire comprimit és relativament costosa en termes d'energia elèctrica, ja que una part important de l'energia es perd en forma de calor durant la compressió i en les fuites.
* **Fuites:** Tot i ser menys perilloses, les fuites són comunes i contribueixen a la pèrdua d'energia i a la reducció de l'eficiència.
### 10. Manteniment i Seguretat en Sistemes Pneumàtics
Un manteniment adequat és vital per garantir la fiabilitat, la vida útil i la seguretat dels sistemes pneumàtics, especialment en el rigorós entorn marí.
#### 10.1. Manteniment Preventiu
* **Purgat de condensats:** Realitzar diàriament o segons recomanació del fabricant la purga dels dipòsits i filtres per eliminar l'aigua i l'oli acumulats.
* **Revisió de filtres:** Comprovar i netejar/canviar els elements filtrants segons la seva saturació.
* **Nivell de lubricant:** En sistemes amb lubricador, mantenir el nivell d'oli adequat i utilitzar l'oli especificat.
* **Control de fuites:** Inspeccionar visualment i amb detector de fuites (aigua sabonosa) les connexions, canonades i components. Les fuites són una gran pèrdua d'energia.
* **Comprovació de pressió:** Verificar la pressió de treball als reguladors i manòmetres, assegurant que sigui l'adequada.
* **Inspecció de components:** Revisar el desgast de juntes, tancaments de cilindres, vàlvules i conductes.
* **Comprovació de la funcionalitat:** Realitzar proves periòdiques del funcionament dels actuadors i vàlvules.
#### 10.2. Mesures de Seguretat
* **Personal qualificat:** Només personal amb la formació i habilitació adequada ha de manipular o mantenir sistemes pneumàtics.
* **Bloqueig energètic (LOTO):** Abans de qualsevol intervenció, desconnectar la font d'aire comprimit i despressuritzar completament el sistema. Utilitzar cadenats i etiquetes per evitar l'activació accidental.
* **Protecció personal:** Utilitzar equips de protecció individual (ulleres, guants, protecció auditiva) per evitar lesions causades per l'aire a pressió, el soroll o parts mòbils.
* **Evitar l'aire a pressió directe:** Mai dirigir un raig d'aire comprimit cap a una persona, pot causar lesions greus.
* **Dipòsits a pressió:** Els calderins han de ser inspeccionats periòdicament segons la legislació vigent per organismes certificadors per garantir la seva integritat estructural.
* **Tuberies i connexions:** Assegurar-se que les tuberies i connexions són de la mida i el material adequats per a la pressió de treball, i que estan ben fixades.
* **Vàlvules de seguretat:** Verificar el correcte funcionament de les vàlvules de seguretat en compressors i dipòsits per evitar sobrepressions perilloses.
En el context naval, la seguretat és primordial. Els sistemes pneumàtics s'utilitzen sovint en proximitat a persones i altres equips, per la qual cosa el compliment estricte de les normatives de seguretat i un manteniment rigorós són innegociables. La formació contínua del personal és un pilar fonamental per a la prevenció d'accidents i l'operació eficient dels sistemes a bord.
Estudia este tema con OPOSGRATIS
Has leído el desarrollo del tema. Para consolidar tu aprendizaje, estudia las flashcards asociadas con repetición espaciada (algoritmo SM-2), realiza simulacros de examen, y practica el supuesto práctico. Todo gratis y sin registro previo.
