Motor neumatico

Un motor neumático (motor de aire) o motor de aire comprimido es un tipo de motor que realiza trabajo mecánico al expandir el aire comprimido. Los motores neumáticos generalmente convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico mediante un movimiento lineal o giratorio. El movimiento lineal puede provenir de un diafragma o un actuador de pistón, mientras que el movimiento giratorio es suministrado por un motor neumático tipo paleta, un motor neumático de pistón, una turbina de aire o un motor de engranajes.

Los motores neumáticos han existido en muchas formas en los últimos dos siglos, desde motores de mano hasta motores de hasta varios cientos de caballos de fuerza. Algunos tipos se basan en pistones y cilindros; otros en rotores ranurados con álabes (motores de paletas) y otros usan turbinas. Muchos motores de aire comprimido mejoran su rendimiento al calentar el aire entrante o el motor mismo. Los motores neumáticos han tenido un éxito generalizado en la industria de las herramientas de mano, pero también se usan estacionarios en una amplia gama de aplicaciones industriales. Se están haciendo intentos continuos para expandir su uso a la industria del transporte. Sin embargo, los motores neumáticos deben superar las ineficiencias antes de ser vistos como una opción viable en la industria del transporte.

Clasificación

Lineal
Con el fin de lograr un movimiento lineal del aire comprimido, un sistema de pistones es el más comúnmente utilizado. El aire comprimido se alimenta a una cámara hermética que aloja el eje del pistón. También dentro de esta cámara se enrolla un resorte alrededor del eje del pistón para mantener la cámara completamente abierta cuando no se está bombeando aire hacia la cámara. A medida que el aire ingresa a la cámara, la fuerza sobre el eje del pistón comienza a superar la fuerza ejercida sobre el resorte. A medida que se introduce más aire en la cámara, la presión aumenta y el pistón comienza a moverse hacia abajo en la cámara. Cuando alcanza su longitud máxima, la presión de aire se libera de la cámara y el resorte completa el ciclo cerrando la cámara para volver a su posición original.

Los motores de pistón son los más utilizados en sistemas hidráulicos. Esencialmente, los motores de pistón son los mismos que los motores hidráulicos, excepto que se utilizan para convertir la energía hidráulica en energía mecánica.

Los motores de pistón a menudo se usan en series de dos, tres, cuatro, cinco o seis cilindros que están encerrados en una carcasa. Esto permite que los pistones entreguen más potencia porque varios motores están sincronizados entre sí en ciertos momentos de su ciclo.

Estos motores neumáticos son cilindros neumáticos o varillas. En este último, el desplazamiento lineal de la varilla se obtiene por la acción del aire comprimido en una cara de un pistón, la otra cara del pistón está a una presión más baja, generalmente cerca de la presión atmosférica. Un jack te permite ejercer la fuerza máxima.

F = Δp × S
Siendo Δp la diferencia de presión máxima entre las dos caras del pistón, y S su sección.

Los cilindros de simple efecto tienen una sola cámara y el retorno del pistón a su posición inicial es proporcionado por un resorte. Los cilindros de doble efecto tienen dos cámaras, a cada lado del pistón, que se suministran alternativamente con aire comprimido o se agotan.

Estos cilindros permiten obtener altas velocidades de desplazamiento que, para obtener, requieren el dimensionamiento correcto de las válvulas de admisión y escape y el suministro de aire comprimido.

El desplazamiento lineal se puede transformar en una rotación de ángulo limitada por un dispositivo mecánico.

Motores de paletas rotativas
Un tipo de motor neumático, conocido como motor de paletas rotativas, utiliza aire para producir un movimiento de rotación hacia un eje. El elemento giratorio es un rotor ranurado que está montado en un eje de transmisión. Cada ranura del rotor está equipada con una paleta rectangular de deslizamiento libre. Las paletas se extienden a las paredes de la carcasa usando resortes, acción de leva o presión de aire, según el diseño del motor. El aire se bombea a través de la entrada del motor que empuja las paletas y crea el movimiento de rotación del eje central. Las velocidades de rotación pueden variar entre 100 y 25,000 rpm dependiendo de varios factores que incluyen la cantidad de presión de aire en la entrada del motor y el diámetro de la carcasa.

Estos motores pueden ser cilindros simples para obtener directamente la rotación de un eje con una amplitud limitada o dispositivos que aseguran la rotación continua de un eje, que puede ser sustituido por motores eléctricos, particularmente para aplicaciones que requieren una gran flexibilidad de operación, y especialmente una alta par a baja velocidad o cero. Estos motores pueden ser turbina o pistón.

Una aplicación para los motores neumáticos tipo paleta es arrancar grandes motores industriales a diesel o de gas natural. La energía almacenada en forma de aire comprimido, nitrógeno o gas natural entra en la cámara del motor sellada y ejerce presión contra las paletas de un rotor. Esto hace que el rotor gire a alta velocidad. Debido a que el volante del motor requiere una gran cantidad de par para arrancar el motor, se utilizan engranajes de reducción. Los engranajes de reducción crean altos niveles de par con las cantidades más bajas de energía. Estos engranajes reductores permiten que el volante del motor genere un par de torsión suficiente mientras está engranado por el engranaje de piñón del motor neumático o del arrancador de aire.

Operación
La operación de un motor de expansión de gas corresponde a la de un motor de vapor, ambos pertenecen a los motores de pistón. La válvula de entrada se abre, dejando el gas a alta presión en la cámara de expansión (cilindro). Después de cerrar la válvula de entrada, el gas se expande hasta el punto final de expansión. Típicamente, el gas se enfría, d. H. su temperatura desciende por si sola. La temperatura ambiente suele ser más alta que la del gas y el gas puede absorber algo de calor a través de la pared del bulbo, es decir, la energía térmica, que aumenta ligeramente el rendimiento (= energía mecánica por presión de salida x volumen de gas de presión). El gas fluye a través de la válvula de salida con la presión residual requerida. El motor puede diseñarse como un motor de pistón de simple o doble efecto. En el rango de baja potencia, los pistones rotativos también están disponibles.

El trabajo mecánico realizado por el motor de expansión de gas se origina en la entalpía almacenada en el gas en el evento de expansión adiabática. En la relajación isotérmica, el trabajo mecánico liberado aumenta alrededor de la exergía absorbida.

Otra forma de remodelar la entalpía contenida en el gas comprimido en movimiento rotativo, que ofrece un motor de paletas.

Desde finales del siglo XIX se construyeron motores de expansión de gas, que funcionaban con dióxido de carbono de los cilindros de presión. Con estos llamados «motores carbónicos», por ejemplo, las escaleras aéreas se mueven y Otto Lilienthal experimentó con ellos como una unidad de su avión.

Los motores de expansión de gas se pueden utilizar como reguladores de presión. El campo de aplicación para los grandes motores de expansión de gas (> 5 kW) es la recuperación de energía durante la extracción de gas de los gasoductos.

El uso más común es el de los pequeños motores de expansión de gas alimentados por aire comprimido que impulsan herramientas manuales. También es relativamente común el uso de máquinas de pistón libre que funcionan como una bomba.

En principio, el motor neumático también se puede utilizar como fuente de conducción del vehículo, pero en el pasado los tanques de presión se transportaban con una entropía tan pequeña y la eficiencia general es tan baja que el uso no era económico. Para los torpedos, los motores neumáticos estuvieron en uso durante mucho tiempo.

Los motores neumáticos fueron y son utilizados en la minería subterránea. En el clima áspero, húmedo y polvoriento subterráneo en túneles confinados, las líneas de conductores y los colectores actuales son difíciles de realizar. Especialmente en la minería del carbón, se produce la emisión de metano combustible. El metano y / o el polvo de carbón forman mezclas explosivas con el aire, que deben conservarse de las chispas que se producen en los circuitos eléctricos.

Desde la década de 1990 hasta aproximadamente el año 2002, hubo proyectos y anuncios de que debería haber un vehículo listo para la producción con manejo de aire, el automóvil o neumático. Estos anuncios fueron renovados por una empresa francesa con sede en Luxemburgo que anunció que tiene la intención de producir OneCat a partir de 2009. El anuncio no fue implementado.

Solicitud
Una aplicación generalizada de los motores neumáticos es en herramientas de mano, llaves de impacto, herramientas de pulso, destornilladores, guías de tuercas, taladros, amoladoras, lijadoras, etc. Los motores neumáticos también se utilizan estacionarios en una amplia gama de aplicaciones industriales. Aunque la eficiencia energética general de las herramientas neumáticas es baja y requieren acceso a una fuente de aire comprimido, existen varias ventajas sobre las herramientas eléctricas. Ofrecen una mayor densidad de potencia (un motor neumático más pequeño puede proporcionar la misma cantidad de potencia que un motor eléctrico más grande), no requiere un controlador de velocidad auxiliar (lo que aumenta su compacidad), genera menos calor y puede usarse en atmósferas más volátiles Ya que no requieren energía eléctrica y no generan chispas. Se pueden cargar para parar con un par completo sin daños.

Históricamente, muchas personas han intentado aplicar motores neumáticos a la industria del transporte. Guy Negre, CEO y fundador de Zero Pollution Motors, ha sido pionero en este campo desde finales de los años ochenta. Recientemente, Engineair también ha desarrollado un motor rotativo para uso en automóviles. Engineair coloca el motor inmediatamente al lado de la rueda del vehículo y no utiliza partes intermedias para transmitir el movimiento, lo que significa que casi toda la energía del motor se utiliza para girar la rueda.

Historia en el transporte
El motor neumático se aplicó por primera vez en el campo del transporte a mediados del siglo XIX. Aunque se sabe poco sobre el primer vehículo de aire comprimido registrado, se dice que los franceses Andraud y Tessie de Motay manejaron un automóvil propulsado por un motor neumático en una pista de pruebas en Chaillot, Francia, el 9 de julio de 1840. Aunque el automóvil Se informó que la prueba fue exitosa, el par no exploró una mayor expansión del diseño.

La primera aplicación exitosa del motor neumático en el transporte fue el motor de aire del sistema Mekarski utilizado en las locomotoras. El innovador motor de Mekarski superó el enfriamiento que acompaña a la expansión del aire al calentar el aire en una caldera pequeña antes de su uso. El Tramway de Nantes, ubicado en Nantes, Francia, fue conocido por ser el primero en utilizar los motores Mekarski para impulsar su flota de locomotoras. El tranvía comenzó a funcionar el 13 de diciembre de 1879 y continúa operando hoy, aunque los tranvías neumáticos fueron reemplazados en 1917 por tranvías eléctricos más eficientes y modernos.

El estadounidense Charles Hodges también tuvo éxito con los motores neumáticos en la industria de las locomotoras. En 1911 diseñó una locomotora neumática y vendió la patente a la H.K. Porter Company en Pittsburgh para uso en minas de carbón. Debido a que los motores neumáticos no utilizan la combustión, eran una opción mucho más segura en la industria del carbón.

Muchas compañías afirman estar desarrollando autos de aire comprimido, pero ninguno está realmente disponible para comprar o incluso para pruebas independientes.

Herramientas
Las llaves de impacto, las herramientas de pulso, los destornilladores, los destornilladores, los taladros, las amoladoras, las amoladoras, las lijadoras, los taladros dentales y otras herramientas neumáticas utilizan una variedad de motores neumáticos. Estos incluyen motores tipo paleta, turbinas y motores de pistón.

Torpedos
Las formas más exitosas de torpedos autopropulsados ​​utilizaban aire comprimido a alta presión, aunque esto fue reemplazado por motores de combustión interna o externa, motores de vapor o motores eléctricos.

Vias ferreas
Los motores de aire comprimido se usaron en tranvías y shunters, y eventualmente encontraron un nicho exitoso en las locomotoras mineras, aunque al final fueron reemplazados por trenes eléctricos, subterráneos. A lo largo de los años, los diseños aumentaron en complejidad, lo que resultó en un motor de triple expansión con recalentadores aire-aire entre cada etapa. Para obtener más información, consulte Locomotora sin fuego y sistema Mekarski.

Vuelo
Los aviones de categoría de transporte, como los aviones comerciales, utilizan arrancadores de aire comprimido para arrancar los motores principales. El aire es suministrado por el compresor de carga de la unidad de potencia auxiliar de la aeronave o por el equipo de tierra.

Los cohetes de agua utilizan aire comprimido para impulsar su chorro de agua y generar empuje, se utilizan como juguetes.

Air Hogs, una marca de juguetes, también utiliza aire comprimido para impulsar motores de pistón en aviones de juguete (y algunos otros vehículos de juguete).

Automotor
Actualmente hay algo de interés en desarrollar autos aéreos. Se han propuesto varios motores para estos, aunque ninguno ha demostrado el rendimiento y la larga vida útil necesarios para el transporte personal.

Energine
La Corporación Energine era una compañía surcoreana que afirmaba entregar autos totalmente ensamblados que funcionaban con un motor híbrido de aire comprimido y eléctrico. El motor de aire comprimido se utiliza para activar un alternador, que extiende la capacidad de operación autónoma del automóvil. El CEO fue arrestado por promover fraudulentamente motores de aire con declaraciones falsas.

EngineAir
EngineAir, una compañía australiana, está fabricando un motor rotativo alimentado por aire comprimido, llamado el motor Di Pietro. El concepto de motor Di Pietro se basa en un pistón rotativo. A diferencia de los motores rotativos existentes, el motor Di Pietro utiliza un pistón rotativo cilíndrico simple (impulsor de eje) que rueda, con poca fricción, dentro del estator cilíndrico.

Puede ser utilizado en barcos, carros, portaequipajes y otros vehículos. Solo se necesita 1 psi (≈ 6,8 kPa) de presión para superar la fricción. El motor también apareció en el programa ABC’s New Inventors en Australia el 24 de marzo de 2004.

K’Airmobiles
Los vehículos de K’Airmobiles estaban destinados a ser comercializados a partir de un proyecto desarrollado en Francia en 2006-2007 por un pequeño grupo de investigadores. Sin embargo, el proyecto no ha podido reunir los fondos necesarios.

Las personas deben tener en cuenta que, mientras tanto, el equipo ha reconocido la imposibilidad física de utilizar aire comprimido almacenado a bordo debido a su pobre capacidad de energía y las pérdidas térmicas resultantes de la expansión del gas.

En estos días, utilizando el patente pendiente ‘K’Air Generator’, convertido para funcionar como un motor de gas comprimido, el proyecto debería iniciarse en 2010, gracias a un grupo de inversionistas de América del Norte, pero con el propósito de desarrollar primero un proyecto ecológico. sistema de energía de energía.

MDI
En el motor de aire Nègre original, un pistón comprime el aire de la atmósfera para mezclarse con el aire comprimido almacenado (que se enfriará drásticamente a medida que se expande). Esta mezcla acciona el segundo pistón, proporcionando la potencia real del motor. El motor de MDI funciona con un par constante, y la única forma de cambiar el par a las ruedas es utilizar una transmisión de polea de variación constante, perdiendo algo de eficiencia. Cuando se detiene el vehículo, el motor de MDI tenía que estar encendido y funcionando, perdiendo energía. En 2001-2004, MDI cambió a un diseño similar al descrito en las patentes de Regusci (ver más abajo), que se remonta a 1990.

En 2008, se informó que el fabricante indio de automóviles Tata estaba considerando un motor de aire comprimido MDI como opción en sus automóviles Nano de bajo precio. Tata anunció en 2009 que el automóvil de aire comprimido estaba resultando difícil de desarrollar debido a su bajo rango y los problemas con las bajas temperaturas del motor.

Cuasiturbina
El motor de cuasiturbina neumática es un motor rotativo sin pistón de aire comprimido que utiliza un rotor de forma romboidal cuyos lados están articulados en los vértices.

La quasiturbina ha demostrado ser un motor neumático que utiliza aire comprimido almacenado.

También puede aprovechar la amplificación de energía posible mediante el uso de calor externo disponible, como la energía solar.

La cuasiturbina rota desde una presión tan baja como 0.1 atm (1.47 psi).

Como la Quasiturbine es un motor de expansión pura, mientras que el Wankel y la mayoría de los otros motores rotativos no lo son, es muy adecuado como motor de fluido comprimido, motor de aire o motor de aire.

Regusci
La versión de Armando Regusci del motor neumático acopla el sistema de transmisión directamente a la rueda, y tiene un par variable desde cero hasta el máximo, lo que mejora la eficiencia. Las patentes de Regusci datan de 1990.

Equipo psicoactivo
Psycho-Active está desarrollando un chasis híbrido multi-combustible / aire que está destinado a servir de base para una línea de automóviles. El rendimiento reclamado es de 50 hp / litro. El motor de aire comprimido que utilizan se llama DBRE o motor rotativo de cuchilla con ductos.

Diseños de motores de aire difuntos

Motor de congrio
Milton M. Conger en 1881 patentó y supuestamente construyó un motor que funcionaba con aire comprimido o vapor que usaba un tubo flexible que formaría una pared en forma de cuña o inclinada o un pilar en la parte trasera del cojinete tangencial de la rueda, y lo impulsaría Con mayor o menor velocidad según la presión del medio propulsor.