El diseño de un sistema hidráulico para condiciones de alta temperatura requiere más que seleccionar aceite hidráulico resistente al calor, sellos a alta temperatura o un enfriador de aceite más grande.
La capacidad de un sistema para operar de manera confiable durante el verano o en otro ambiente cálido depende de tres factores básicos:
- Cuánto calor genera el sistema hidráulico
- Cuánto calor puede eliminar el sistema
- Si las bombas, válvulas, tuberías, depósitos y actuadores siguen siendo eficientes después de que el aceite se calienta
Un sistema diseñado solo para pruebas a temperatura ambiente, ciclos de operación cortos o máxima presión puede parecer normal durante la puesta en marcha. Sin embargo, después de varias horas de operación continua, la temperatura del aceite puede seguir aumentando, el movimiento puede ralentizarse, la presión puede volverse inestable y la fuga puede aumentar.
Por lo tanto, el objetivo principal del diseño del sistema hidráulico a alta temperatura es establecer un equilibrio térmico estable mientras se cumplen los requisitos de presión, flujo, velocidad y control de la máquina.
Definir las condiciones reales de operación a alta temperatura
El primer paso es distinguir entre la temperatura ambiente, la temperatura del aceite hidráulico y la temperatura de los componentes locales.
La temperatura del aire exterior no siempre representa el verdadero entorno de operación del sistema hidráulico. Una unidad de potencia hidráulica instalada dentro de un recinto cerrado, cerca de un motor, junto a un tubo de escape o cerca de un horno puede experimentar temperaturas mucho más altas que el aire circundante.
Antes de diseñar el sistema, confirme:
- Temperatura ambiente normal y máxima
- Temperatura normal de aceite esperada
- Temperatura máxima de aceite permisible
- Tiempo de operación continuo a alta temperatura
- Presión de trabajo y presión máxima
- Flujo máximo y promedio
- Frecuencia del ciclo de la máquina
- Tiempo de mantenimiento a alta presión
- Tiempo de inactividad o espera
- Fuentes de calor externas
La presión máxima y el flujo máximo por sí solos no son suficientes para estimar la carga térmica.
Por ejemplo, un sistema puede tener una alta presión máxima, pero la utiliza solo durante unos segundos en cada ciclo. Su generación promedio de calor puede mantenerse moderada. Otro sistema puede operar a una presión más baja, pero estrangular continuamente un gran flujo, produciendo más calor a lo largo del tiempo.
Por lo tanto, el ciclo de operación completo debe evaluarse en lugar de confiar únicamente en los valores máximos.
Reducir la generación de calor innecesaria
El diseño de sistemas hidráulicos a alta temperatura debería primero mejorar la eficiencia energética en lugar de requerir que el enfriador elimine toda pérdida de energía evitable.
La energía hidráulica se convierte en calor cuando el aceite fluye a través de válvulas de alivio, válvulas de estrangulación, tuberías restrictivas y componentes desgastados.
El diseño debe evitar:
- Operación continua de la válvula de alivio
- Largos períodos de flujo a alta presión de una bomba de desplazamiento fijo
- El flujo de la bomba excede significativamente la demanda del actuador
- Gran flujo pasando a través de una válvula proporcional en una apertura pequeña
- Flujo continuo de la bomba después de que un actuador alcanza el final de su carrera
- Largos períodos de mantenimiento de presión soportados solo por el flujo de la bomba
- Pasajes de válvula subdimensionados
- Bombas y válvulas operando muy fuera de su rango de trabajo eficiente
Para máquinas con demanda de flujo que cambia ampliamente, una bomba de desplazamiento variable o un control de detección de carga pueden reducir el flujo excesivo y las pérdidas de presión.
Para sistemas de bombas de desplazamiento fijo, se debe considerar un circuito de descarga para que la bomba no permanezca bajo alta presión durante los períodos de inactividad.
Cuando el sistema debe mantener presión o sostener una carga por un largo tiempo, las soluciones posibles incluyen:
- Acumuladores hidráulicos
- Operación de bomba controlada por interruptor de presión
- Circuitos de retención de presión de bajo flujo
- Válvulas de retención operadas por piloto
- Válvulas de contrapeso o de retención de carga
- Circuitos de bloqueo mecánico o hidráulico independientes
Reducir la generación de calor interno disminuye la temperatura del aceite y también puede reducir el consumo de energía del motor, el ruido, el desgaste de la bomba y los costos operativos.
Optimizar el diseño de tuberías y depósitos
El diámetro y la disposición de las tuberías afectan la resistencia de succión, la pérdida de presión, la contrapresión de la línea de retorno y la generación de calor.
La selección de tuberías no debe basarse únicamente en el tamaño de la rosca de los puertos de los componentes. El diámetro interno debe seleccionarse de acuerdo con el caudal máximo real, la velocidad de aceite aceptable y la caída de presión permitida.
Los puntos de diseño importantes incluyen:
- Mantener la línea de succión corta y sin restricciones
- Evitar codos excesivos y giros bruscos
- Seleccionar las líneas de presión para el caudal máximo operativo
- Proporcionar un diámetro de línea de retorno suficiente
- Comprobar la capacidad de flujo de los acopladores rápidos
- Evitar mangueras innecesariamente largas
- Hacer coincidir las calificaciones del filtro y del enfriador con el flujo real
- Calcular la caída de presión combinada de los componentes instalados en serie
La línea de retorno a menudo se subestima.
Si el filtro de retorno, el enfriador, los accesorios y las tuberías crean una resistencia excesiva, la bomba debe generar presión adicional para devolver el aceite al depósito. Esta pérdida de presión se convierte continuamente en calor.
El depósito también juega un papel importante en la refrigeración, la liberación de aire, el asentamiento de contaminantes y la separación de agua.
Un depósito para operación continua a alta temperatura debe tener:
- Volumen efectivo de aceite adecuado
- Superficie externa suficiente
- Ubicación correcta de los puertos de succión y retorno
- Deflectores internos
- Velocidad controlada de retorno del aceite
- Tiempo de residencia del aceite apropiado
- Un rango de nivel de aceite claramente definido
- Buena circulación de aire alrededor del tanque
El aceite de retorno caliente no debe fluir directamente hacia el área de succión de la bomba. Un deflector correctamente posicionado aumenta el recorrido del aceite y proporciona más tiempo para la liberación de calor y la separación del aire.
El reservorio también debe instalarse lejos de motores, tubos de escape, hornos y otras fuentes de calor externas siempre que sea posible.
Diseñar el sistema de refrigeración de acuerdo con la carga térmica
No se debe seleccionar un intercambiador de calor solo por el caudal de la bomba o el tamaño de la conexión.
El sistema de enfriamiento debe basarse en:
- Generación de calor estimada
- Temperatura objetivo de operación del aceite
- Temperatura ambiental máxima en verano
- Duración continua de operación
- El flujo de aceite a través del enfriador
- Caída de presión en el lado del aceite
- Condiciones de flujo de aire disponible o agua de enfriamiento
- Espacio de instalación
- Variación de carga de la máquina
- Reserva de enfriamiento requerida
Los intercambiadores de calor de aceite refrigerados por aire son comunes en equipos móviles y sistemas sin un suministro estable de agua. Sin embargo, su rendimiento real depende de la temperatura ambiente, el flujo de aire del ventilador, la limpieza de las aletas y la posición de instalación.
El aire caliente descargado del intercambiador de calor debe poder salir del recinto. Si el aire se vuelve a llevar al intercambiador, la recirculación de calor puede reducir significativamente la capacidad de enfriamiento.
Los intercambiadores de calor de aceite refrigerados por agua suelen ser más adecuados para equipos estacionarios, sistemas de servicio continuo y cargas térmicas altas. Su rendimiento depende de la temperatura del agua de enfriamiento, el flujo, la calidad del agua, la acumulación de sarro y el control de la corrosión.
Se debe incluir un margen de diseño razonable para temperaturas ambientales superiores a las esperadas, ciclos de producción aumentados o expansión futura del sistema.
Sin embargo, la capacidad de enfriamiento no debe utilizarse para compensar el flujo de alivio continuo, la estrangulación excesiva o las fugas internas severas. Las fuentes de calor deben reducirse antes de finalizar el tamaño del intercambiador de calor.
Seleccionar un aceite hidráulico adecuado y componentes resistentes a altas temperaturas
El aceite hidráulico debe permanecer dentro del rango de viscosidad requerido por la bomba y los componentes de control a lo largo del rango de temperatura esperado.
La selección del aceite debe considerar:
- Temperatura mínima de arranque
- Temperatura normal de funcionamiento del aceite
- Temperatura máxima del aceite
- Grado de viscosidad requerido
- Índice de viscosidad
- Resistencia a la oxidación
- Rendimiento anti-desgaste
- Rendimiento de liberación de aire
- Resistencia a la espuma
- Desemulsibilidad
- Compatibilidad con materiales de sellado
El aceite que es demasiado viscoso aumenta la succión, la resistencia del filtro y la resistencia de las tuberías. El aceite que se vuelve demasiado delgado aumenta las fugas internas en bombas, válvulas, cilindros y motores.
El aceite hidráulico de alta temperatura puede mejorar la retención de viscosidad y la resistencia a la oxidación, pero no puede corregir la mala eficiencia del circuito o un enfriamiento inadecuado.
Los sellos, mangueras, bobinas solenoides, sensores, conectores y componentes eléctricos también deben seleccionarse por su temperatura de funcionamiento continua, no solo por su calificación de pico a corto plazo.
La selección de sellos y mangueras debe considerar la temperatura del aceite, la temperatura ambiente, la presión, la pulsación de presión, el tipo de fluido, la velocidad de movimiento y la exposición al calor externo.
Cuando los componentes no pueden reubicarse lejos de un motor o sistema de escape, pueden ser necesarios escudos térmicos, mangas aislantes o un enrutamiento de tuberías revisado.
Fortalecer el control de la contaminación y la protección contra temperaturas
La alta temperatura acelera la oxidación del aceite hidráulico y aumenta el daño causado por el aire, el agua y las partículas sólidas.
El sistema debería incluir por lo tanto:
- Filtración adecuada a los requisitos de limpieza de los componentes
- Filtros con capacidad de flujo suficiente
- Indicadores de presión diferencial o alarmas de obstrucción
- Un respiradero de depósito adecuado
- Control de agua y condensación
- Puntos de drenaje y limpieza
- Llenado de aceite nuevo filtrado
- Puertos de muestreo de aceite
Los sistemas que utilizan válvulas proporcionales, válvulas servo o otros componentes de precisión suelen requerir un control de contaminación más estricto.
El monitoreo de temperatura también debe incluirse en el diseño original.
Lugares de monitoreo útiles incluyen:
- Embalse
- Línea de retorno principal
- Entrada del enfriador
- Salida del enfriador
- Salida de la bomba
- Desagüe del cuerpo de la bomba
- Compartmento de equipo cerrado
El sistema de control puede automáticamente:
- Iniciar el ventilador de enfriamiento
- Abrir el suministro de agua de enfriamiento
- Activar una advertencia de alta temperatura
- Reducir la frecuencia del ciclo de operación
- Limitar los movimientos de alta carga
- Detener la máquina cuando la temperatura se vuelva peligrosa
Las temperaturas de alarma y apagado deben basarse en los límites del aceite, la bomba, los sellos, las mangueras y los componentes eléctricos. Una configuración de temperatura universal no es adecuada para todos los sistemas hidráulicos.
Información requerida antes del diseño del sistema a alta temperatura
| Categoría | Información para confirmar |
|---|---|
| Temperatura | Temperatura ambiental normal y máxima, temperatura esperada del aceite, temperatura máxima permitida del aceite |
| Presión | Presión de trabajo, presión de pico, presión de mantenimiento y tiempo de mantenimiento |
| Flujo | Flujo máximo, flujo promedio y flujo requerido por cada movimiento |
| Ciclo de trabajo | Secuencia de movimiento, frecuencia de ciclo, tiempo de inactividad y tiempo de operación continua |
| Actuadores | Número, carga, velocidad y dirección de operación de cilindros o motores |
| Fluido hidráulico | Tipo de fluido, grado de viscosidad y cualquier medio especial |
| Instalación | Espacio, ventilación, polvo, exposición al agua y fuentes de calor externas |
| Enfriamiento y control | Condiciones de enfriamiento por aire o agua, sensores, alarmas y requisitos de apagado |
Conclusión
La clave para el diseño de sistemas hidráulicos a alta temperatura no es simplemente instalar un enfriador más grande o reemplazar componentes estándar por versiones a alta temperatura.
Un diseño confiable comienza con la temperatura ambiente real, la temperatura del aceite, la presión, el caudal, el ciclo de trabajo y el tiempo de operación continua. El calor innecesario del flujo de alivio, la estrangulación, las fugas internas y la pérdida de presión deben reducirse primero.
La bomba, las válvulas, las tuberías, el depósito, el enfriador, el aceite, los sellos, las mangueras y los componentes eléctricos deben seleccionarse como un sistema térmico completo.
Con un control adecuado de la contaminación, monitoreo de temperatura, enfriamiento automático y protección contra sobretemperatura, el sistema hidráulico podrá mantener un rendimiento estable durante el verano y otras condiciones de operación a alta temperatura.
