Volumen muerto en cilindros neumáticos: cálculo del consumo

El volumen muerto afecta a la eficiencia energética de un cilindro neumático cuando una cavidad o línea fija se presuriza y evacua repetidamente sin añadir recorrido útil al pistón. Cuantifique ese volumen, convierta su cambio de presión en demanda de aire normal, multiplíquelo por los ciclos aceptados y verifique después el resultado con un caudalímetro. No existe una penalización universal de eficiencia del 30% o del 50%.

El límite de cálculo es importante. La holgura del cilindro, los taladros de los puertos, las tuberías entre la válvula y el cilindro, los racores y los pasos de válvula conectados pueden añadir volumen facturable, pero solo cuando el estado de la válvula los convierte en parte del recorrido conmutado. Los colectores de alimentación situados aguas arriba de la válvula direccional normalmente permanecen presurizados y no deben contarse como si se rellenaran en cada carrera.

Conclusiones clave

El ejemplo publicado por SMC combina 13 L (ANR) de aire del cilindro con 0.56 L de tubería conmutada por ciclo.

El volumen físico, el consumo de aire normal y la electricidad del compresor son magnitudes diferentes.

La caída de presión por sí sola mide fugas, no un volumen desconocido.

Verifique el ahorro como aire normal por ciclo de producción aceptado.

¿Qué se considera volumen muerto en un circuito de cilindro neumático?

SMC define el consumo de aire del cilindro como el aire utilizado dentro del cilindro y en las tuberías entre el cilindro y la válvula de conmutación. Su ejemplo desarrollado informa de 13 L (ANR) para el cilindro y 0.56 L para las tuberías por ciclo (selección de modelos de cilindros neumáticos de SMC, consultado el 2026-07-22).

Utilice tres nombres de volumen distintos:

El volumen de holgura es el espacio de la cámara que queda cuando el pistón alcanza su posición final mecánica. Puede incluir la cavidad del cabezal, los pasos de amortiguación, el taladro del puerto y el espacio inevitable entre el pistón y el cabezal.
El volumen de la línea conmutada es el tubo, la manguera, el racor, el regulador de velocidad, el paso del colector y el paso de la válvula conectados cuya presión cambia cuando conmuta la válvula direccional.
El volumen barrido es el área efectiva del pistón multiplicada por la carrera. Cambia mientras se mueve el pistón y produce desplazamiento mecánico.

Cilindro neumático de tirantes estilo DNC que muestra los cabezales y puertos de aire que delimitan sus volúmenes internos de holgura

Cilindro neumático estilo ISO de la serie DNC

Llamar «volumen muerto» a todos los espacios internos genera cálculos incorrectos. Una galería de alimentación de la válvula que permanece a presión no se consume de nuevo en cada ciclo. Una galería de escape de la válvula puede servir a varios puertos. Una cavidad de amortiguación puede conectarse de otra forma cuando el pistón entra en la zona de amortiguación. Trace el recorrido real dependiente del estado antes de sumar volúmenes.

El volumen muerto tampoco reduce la carrera geométrica del cilindro. El pistón sigue recorriendo la distancia especificada. La penalización es una masa de aire adicional, más tiempo de llenado y escape y energía neumática almacenada asociada a un volumen fijo que no crea recorrido adicional.

Los cilindros de vástago simple son asimétricos porque el vástago reduce el área efectiva y el volumen de la cámara en un lado. Los cilindros sin vástago no son automáticamente simétricos ni tienen menos volumen; las bandas internas, los pasos del carro, la geometría de los cabezales, los amortiguadores y el recorrido de los puertos varían según el diseño. Utilice los planos o los datos medidos del modelo seleccionado.

Para conocer el efecto de estos mismos volúmenes sobre la temporización, consulte el análisis independiente del tiempo de respuesta y el volumen muerto de los cilindros. Este artículo mantiene un límite diferente: el consumo repetido de aire normal y el impacto energético verificado.

¿Cómo se calcula el aire añadido por un volumen muerto fijo?

Las ecuaciones de consumo de aire de SMC utilizan la relación de presión absoluta para las cámaras barridas del cilindro y la relación de presión manométrica para las tuberías conmutadas. En su ejemplo de 0.5 MPa, 2 m de tubería con un diámetro interior de 6 mm añaden aproximadamente 0.56 L (ANR) a cada ciclo completo del cilindro (SMC, consultado el 2026-07-22).

Comience con el volumen físico del tubo:

V_{mathrm{tube}} = \frac{\pi D_i^2}{4}L

$V_{\mathrm{tube}}$ es el volumen interno del tubo, $D_i$ es el diámetro interior real y $L$ es la longitud. Mantenga la coherencia de las unidades. Si ambas dimensiones están en milímetros, divida los milímetros cúbicos entre 1,000 para obtener centímetros cúbicos.

Para un volumen fijo que pasa de una presión absoluta inicial a una presión absoluta final, el volumen equivalente de aire libre añadido es, bajo una hipótesis de evaluación isotérmica:

V_{N,mathrm{fixed}} = V_{mathrm{fixed}}\frac{p_{f,mathrm{abs}}-p_{i,mathrm{abs}}}{p_{N,mathrm{abs}}}

$V_{mathrm{fixed}}$ is the physical connected volume, $p_{f,mathrm{abs}}$ and $p_{i,mathrm{abs}}$ are final and initial absolute pressures, and $p_{N,mathrm{abs}}$ is the selected reference pressure. State the reference temperature and standard-volume convention beside the result.

Cuando el volumen comienza a presión atmosférica, el numerador equivale a la presión manométrica. Esto explica por qué un término de volumen de tubo conmutado difiere de un término de cámara barrida: el tubo ya contiene aire antes de la carga, mientras que el movimiento del pistón crea un volumen nuevo de cámara que también debe llenarse.

Cuente cada volumen fijo solo cuando su presión realiza realmente un ciclo. En un ciclo completo de extensión y retracción, la línea del lado del cabezal y la del lado del vástago normalmente se cargan una vez cada una en un circuito convencional 5/2. Un circuito de centro cerrado, centro a presión, escape rápido, dos presiones o corte anticipado cambia ese límite.

La calculadora de volumen de tubos neumáticos puede proporcionar el volumen físico y el volumen equivalente de aire libre de una línea. La calculadora de consumo de aire proporciona la referencia del cilindro barrido. Ninguna de las dos herramientas conoce los pasos internos de la válvula seleccionada ni la holgura del cabezal, por lo que debe añadir por separado los volúmenes fijos documentados.

Un ejemplo desarrollado de SMC muestra la magnitud real

El caso publicado por SMC utiliza diez cilindros de 50 mm de diámetro interior con carreras de 600 mm, una presión de 0.5 MPa, cinco ciclos por minuto y 2 m de tubería con diámetro interior de 6 mm. Calcula 13 L por ciclo de cilindro más 0.56 L de tubería, para una demanda total de 678 L/min (SMC, consultado el 2026-07-22).

El volumen de una línea de 2 m con un diámetro interior de 6 mm es:

V_{mathrm{tube}} = \frac{\pi (6\ \mathrm{mm})^2}{4}(2{,}000\ \mathrm{mm}) = 56{.}55\ \mathrm{cm^3}

Con una presión manométrica de 0.5 MPa y una presión de referencia de 0.1 MPa, el volumen adicional de aire libre de una línea es aproximadamente:

V_{N,mathrm{line}} = 56{.}55\ \mathrm{cm^3}\frac{0.5\ \mathrm{MPa}}{0.1\ \mathrm{MPa}} = 282{.}7\ \mathrm{cm^3}

Dos líneas proporcionan aproximadamente 0.565 L, lo que coincide con el valor redondeado de 0.56 L de tubería de SMC. El ciclo completo por cilindro queda así:

Componente	Volumen de aire normal por ciclo
Cámaras barridas del cilindro	13.00 L (ANR)
Dos líneas conmutadas	0.56 L (ANR)
Total	13.56 L (ANR)

La proporción de la línea es aproximadamente:

r_{mathrm{line}} = \frac{0.56}{13.56} = 0.0413

Eso representa aproximadamente el 4.1% en este ejemplo. No es un porcentaje general de volumen muerto. Los cilindros más pequeños, las carreras más cortas, las tuberías más largas, los diámetros interiores mayores, las presiones más altas y los ciclos más frecuentes pueden hacer mucho mayor la proporción del volumen fijo. Por el contrario, un cilindro de gran diámetro y carrera larga puede tener una proporción pequeña de volumen de línea aunque el consumo absoluto de la línea siga justificando su medición.

La proporción es útil para establecer prioridades, pero la reducción absoluta de aire normal determina la demanda de la instalación. Informe de ambas. Una proporción de volumen fijo del 20% en un actuador pequeño de uso ocasional puede ser menos importante que una proporción del 3% en cientos de actuadores de muchos ciclos.

La guía existente sobre consumo de aire de cilindros de doble efecto cubre el cálculo completo del volumen barrido. Utilice este artículo para aislar la parte fija y conmutada repetidamente de ese total.

Por qué el ahorro de aire y el ahorro de electricidad no tienen el mismo porcentaje

CAGI indica que un aumento de 2 psi en la presión de descarga del compresor eleva aproximadamente un 1% la potencia requerida, antes de incluir la demanda artificial. Su ejemplo de 100 a 110 psig alcanza un impacto combinado de aproximadamente el 14% porque cambian tanto la presión como la demanda (diseño de sistemas de aire comprimido de CAGI, 2021).

Esta dependencia del sistema explica por qué una reducción del 4.1% en el aire calculado por ciclo de un cilindro no reduce automáticamente la factura eléctrica un 4.1%. El resultado también depende de:

la parte de la demanda total de aire normal de la instalación que representa el cilindro modificado;
el tipo de compresor, la potencia específica y el comportamiento en descarga y modulación;
el almacenamiento en el depósito y la estrategia de control de presión;
las fugas y otras demandas no reguladas;
la cadencia de producción, el tiempo en espera y las cargas neumáticas simultáneas;
si la demanda reducida cambia la secuencia de compresores o solo aumenta el tiempo en descarga.

Primero calcule el ahorro anual de aire normal:

\Delta V_{N,mathrm{annual}} = \Delta V_{N,mathrm{cycle}}\,n_{mathrm{accepted\ cycles}}

$\Delta V_{N,mathrm{cycle}}$ is the measured or calculated reduction per accepted cycle, and $n_{mathrm{accepted\ cycles}}$ is the annual number of complete accepted cycles. Exclude rejected or diagnostic cycles only if the process change genuinely removes them; otherwise they remain part of demand.

Después estime la electricidad utilizando una intensidad energética específica de la instalación y medida:

\Delta E_{mathrm{annual}} = \Delta V_{N,mathrm{annual}}\,e_{mathrm{site}}

$e_{mathrm{site}}$ is compressor-system electricity per standard cubic metre or standard cubic foot delivered across the same measurement boundary. Obtain it from synchronized compressor power and delivered-air data. A generic electricity price alone cannot convert cylinder volume into energy.

ISO/TR 22165:2018 aconseja mejorar la eficiencia del sistema neumático teniendo en cuenta la funcionalidad y la eficiencia económica (ISO/TR 22165, confirmado el 2026-07-22). Por tanto, la fuerza, la respuesta, la amortiguación, la seguridad, la mantenibilidad y la calidad de producción siguen siendo condiciones de aceptación, no comprobaciones opcionales posteriores a un cambio para ahorrar aire.

¿Cómo se puede medir correctamente un volumen muerto desconocido?

Los patrones de caudal PVTt del NIST utilizan el volumen conocido de un recipiente colector junto con la presión, la temperatura, el tiempo y una ecuación de estado. El NIST también describe un método independiente de expansión de volumen en el que se presuriza un volumen conocido, se conecta a un volumen desconocido evacuado y se resuelve a partir del cambio de densidad resultante (patrones de caudal de gas del NIST, consultado el 2026-07-22).

Utilice uno de tres métodos, según la incertidumbre necesaria:

Cálculo geométrico. Calcule los volúmenes de los tubos y de los pasos taladrados sencillos a partir de dimensiones medidas. Utilice el CAD o los planos del proveedor para las cavidades de los cabezales y las válvulas. Registre si las dimensiones son nominales o medidas.
Expansión con volumen de referencia. Conecte un recipiente de referencia calibrado al volumen desconocido aislado, registre las presiones y temperaturas absolutas inicial y final, espere al equilibrio térmico y resuelva la conservación de la masa.
Medición de caudal normalizada por ciclos. Mida el aire normal acumulado durante un número conocido de ciclos repetidos y compare después las configuraciones con la misma carga, presión, temporización y estado de la válvula. Esto captura el circuito completo, pero no identifica por sí sola cada cavidad.

Bajo una hipótesis de evaluación de gas ideal a temperatura constante, un volumen de referencia inicialmente a $p_{r,i}$ conectado a un volumen desconocido inicialmente a $p_{u,i}$ y equilibrado a $p_f$ da:

V_u = V_r\frac{p_{r,i}-p_f}{p_f-p_{u,i}}

$V_u$ es el volumen desconocido y $V_r$ es el volumen de referencia calibrado. Todas las presiones deben ser absolutas. Para obtener una medición defendible, incluya los términos de temperatura, el volumen de conexión, las fugas, la incertidumbre del sensor, la deformación de los componentes dependiente de la presión y un tiempo de estabilización suficiente. El método detallado del NIST utiliza la densidad en lugar de la forma simplificada de presión a temperatura constante (NIST SP 250-63).

La caída de presión por sí sola no puede determinar un volumen desconocido. Una traza de caída combina la conductancia de fuga, el volumen, la presión absoluta, el cambio de temperatura y el tiempo. Sin un volumen conocido o un caudal de fuga conocido, distintas combinaciones de volumen y fuga pueden producir curvas similares. Utilice la caída de presión para detectar o cuantificar fugas después de haber establecido el volumen de ensayo.

No llene de agua un cilindro de producción montado únicamente para medir el volumen, salvo que el fabricante haya aprobado el procedimiento y el componente pueda limpiarse, secarse, relubricarse y volver a ponerse en servicio por completo. El agua puede contaminar la grasa, favorecer la corrosión, dañar los sellos y dejar una condición residual insegura.

Mida el límite que la válvula conmuta realmente. Un ensayo en banco que incluya una manguera temporal larga, un colector de aislamiento grande o una cavidad del instrumento de ensayo puede informar de más «volumen muerto» del que contiene el circuito de producción. Por el contrario, excluir el racor instalado y el regulador de velocidad subestima el volumen real que realiza ciclos.

¿Qué cambios en el volumen muerto merecen prioridad?

Festo identifica el llenado y escape repetidos de tendidos de tubería largos o de gran diámetro como un desperdicio de energía y recomienda acercar las válvulas a los actuadores. También advierte que los diámetros de tubo menores pueden restringir la presurización y el escape, por lo que el tamaño del tubo debe seguir cumpliendo los requisitos de rendimiento (Festo, consultado el 2026-07-22).

Priorice los cambios según la reducción medida de aire normal y el rendimiento verificado de la máquina:

Cambio	Volumen o demanda afectados	Comprobación principal antes de la aceptación
Acercar la válvula direccional al cilindro	Acorta el volumen de la línea conmutada	Entorno, cableado, acceso para servicio, escape y zonificación de seguridad
Acortar bucles de tubería innecesarios	Reduce el volumen de la línea sin cambiar el diámetro interior	Radio de curvatura, movimiento, alivio de tensión y acceso para mantenimiento
Reducir el diámetro interior del tubo	Reduce mucho el volumen porque el área sigue el cuadrado del diámetro	Caída de presión dinámica, tiempo de llenado, tiempo de escape y velocidad del cilindro
Utilizar racores compactos o montaje directo	Elimina las cavidades de conexión	Coeficiente de caudal, orientación, acceso para sustitución y vibración
Reducir la cavidad del cabezal o del puerto	Reduce el volumen de holgura del cilindro	Capacidad de amortiguación, holgura del pistón, fabricabilidad y resistencia
Reducir la presión de trabajo verificada	Reduce la masa de aire añadida en los volúmenes fijo y barrido	Fuerza, despegue, aceleración, carga del proceso y caídas de alimentación
Eliminar ciclos innecesarios	Elimina toda la demanda del ciclo	Lógica de producción, diagnóstico y recuperación de fallos

La guía sobre la ubicación de válvulas cubre la decisión entre arquitectura centralizada y distribuida. Una válvula local puede reducir el volumen de línea, pero puede crear una nueva exposición al lavado, el calor, la vibración, accionamientos manuales inaccesibles o límites inseguros de energía almacenada.

No optimice el volumen de línea antes de comprobar las fuentes de demanda mayores. Las fugas, un diámetro interior sobredimensionado, un exceso de presión, una carrera innecesaria, la presurización en espera, el soplado y los movimientos redundantes pueden superar la penalización del volumen fijo. El análisis del diámetro interior y el coste de funcionamiento ayuda a determinar si el consumo está controlado por la geometría del cilindro y no por el volumen de línea.

El mejor primer objetivo no es el porcentaje más grande. Clasifique cada candidato por la reducción anual de aire normal, el riesgo de implantación y el impacto de producción verificado. Una pinza de carrera corta y muchos ciclos puede justificar una válvula local antes que un cilindro de transferencia de carrera larga y pocos ciclos, aunque el cilindro de transferencia tenga más volumen físico.

Protocolo de verificación antes y después

El ejemplo desarrollado de SMC suma 678 L/min para diez cilindros, pero la guía sigue exigiendo una reserva del compresor para la caída de temperatura, las fugas y los equipos intermedios. Por tanto, el volumen calculado del cilindro y las tuberías es una referencia, mientras que la aceptación final exige medir la demanda en el límite de máquina elegido (SMC, consultado el 2026-07-22).

Utilice el mismo procedimiento antes y después de un único cambio controlado:

Defina el límite. Nombre la derivación del cilindro, la isla de válvulas, la máquina o el sistema de compresores incluidos en la medición.
Registre la configuración. Enumere el modelo de cilindro, el diámetro interior, el vástago, la carrera, el modelo de válvula, la familia de racores, el diámetro interior y la longitud del tubo, el ajuste del regulador y el estado de control.
Estabilice el proceso. Utilice el mismo producto, carga útil, programa de ciclos, temperatura, condición de alimentación y criterios de salida aceptada.
Mida el aire normal acumulado. Divida el total entre los ciclos completos aceptados. Registre también el caudal en espera con la máquina en su estado normal de espera presurizada.
Registre la presión dinámica. Mida la presión en la entrada de la válvula y las presiones de ambos puertos del cilindro durante las partes de mayor caudal y mayor fuerza de la carrera.
Compruebe la temporización y la calidad. Confirme el retraso entre la orden y el movimiento, el tiempo de carrera, la amortiguación, el impacto, la repetibilidad, la tasa de rechazo y la fuerza requerida.
Cambie una variable. No acorte las tuberías, reduzca la presión, repare fugas ni modifique la lógica de control en la misma comparación si el objetivo es aislar el ahorro de volumen muerto.
Repita suficientes ciclos. Informe de las ejecuciones individuales junto con la media o la mediana y la dispersión observada. Incluya con el resultado la resolución y la incertidumbre del medidor.

La métrica de aceptación es:

q_{mathrm{accepted}} = \frac{V_{N,mathrm{measured}}}{n_{mathrm{accepted\ cycles}}}

$q_{\mathrm{accepted}}$ es el volumen de aire normal por ciclo aceptado. $V_{N,\mathrm{measured}}$ es el aire normal acumulado a través del límite definido y $n_{\mathrm{accepted\ cycles}}$ es el número correspondiente de ciclos aceptados. Un valor inferior solo es útil cuando la fuerza, la temporización, la seguridad y la calidad del producto siguen cumpliendo.

Preguntas frecuentes sobre el volumen muerto de los cilindros neumáticos

El ejemplo de SMC a 0.5 MPa asigna 0.56 L (ANR) a las tuberías conmutadas y 13 L a las cámaras del cilindro por ciclo. Esa proporción de tubería del 4.1% solo corresponde al diámetro interior de 50 mm, la carrera de 600 mm, los 2 m de tubería y las condiciones de presión indicadas (SMC, consultado el 2026-07-22).

¿Cuál es la diferencia entre el volumen de holgura y el volumen muerto?

El volumen de holgura es el espacio de la cámara que queda en una posición final mecánica. El volumen muerto es un término de aplicación más amplio que también puede incluir puertos, racores, tubos, controladores, colectores y pasos de válvula conectados que se presurizan y evacuan sin añadir recorrido al pistón. Indique el límite del circuito cada vez que cite cualquiera de los dos valores.

¿El volumen muerto reduce la fuerza del cilindro neumático?

No directamente a presión estable. La fuerza del cilindro depende de la diferencia de presión que actúa sobre las áreas efectivas del pistón, menos la resistencia mecánica. Un volumen fijo adicional puede retrasar el aumento de presión, incrementar el consumo de aire y almacenar más energía neumática. Un recorrido restringido también puede causar una pérdida dinámica de presión que reduzca la fuerza durante el movimiento.

¿Puede un ensayo de caída de presión medir el volumen muerto de un cilindro?

No por sí solo. La caída de presión combina fugas, volumen, temperatura y tiempo. Para resolver un volumen desconocido, utilice la geometría medida, un ensayo calibrado de expansión con volumen de referencia o un método de caudal másico conocido con datos de presión y temperatura. La caída de presión resulta útil para las fugas solo después de conocer el volumen de ensayo conectado.

¿Montar la válvula en el cilindro siempre ahorra energía?

Normalmente elimina parte del volumen del tubo conmutado, pero el resultado completo depende de la frecuencia de ciclos, la presión, los pasos de la válvula, la demanda piloto, el recorrido del escape y la longitud anterior del tubo. La instalación también debe cumplir los requisitos de caudal, temporización, entorno, electricidad, acceso para servicio, energía almacenada y seguridad de la máquina.

¿Cómo deben informarse los ahorros energéticos del volumen muerto?

Informe de la reducción calculada y medida de aire normal por ciclo aceptado, los ciclos aceptados anuales, el caudal en espera, la presión, la configuración y la incertidumbre de medición. Convierta el ahorro de aire en electricidad utilizando la intensidad energética específica del sistema de compresores de la instalación. No informe de un porcentaje universal ni de un coste anual sin definir el cálculo completo y el límite de medición.

Fuentes y referencias técnicas

SMC, Selección de modelos de cilindros neumáticos, cylinder and piping air-consumption example; consultado el 2026-07-22.
SMC, Consumo de aire y volumen de aire requerido de Best Pneumatics, cylinder and piping formulas; consultado el 2026-07-22.
Festo, Ahorrar costes de aire comprimido y reducir el consumo energético, dead-volume and pipe-sizing tradeoff; consultado el 2026-07-22.
ISO/TR 22165:2018, guía de eficiencia energética de sistemas neumáticos; confirmado el 2026-07-22.
CAGI, Compressed Air System Design, relación entre la presión del sistema, la demanda y la potencia del compresor; 2021.
NIST, Gas Flow Standards, principios de medición PVTt y de tasa de aumento; consultado el 2026-07-22.
NIST Special Publication 250-63, método de expansión con volumen de referencia; consultado el 2026-07-22.

Impacto del volumen muerto en la eficiencia energética de los cilindros neumáticos

David Li