Guía básica para diseñar sistemas hidráulicos (5ª PARTE)

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Condición de entrada de la bomba

En teoría, una bomba de desplazamiento positivo producirá un caudal en proporción directa a la velocidad del eje. Sin embargo, si el fluido no puede ser suministrado a las cámaras de bombeo de la bomba, esta relación no se mantendrá y la bomba sufrirá cavitación. El caudal contra la velocidad del eje de una bomba hidráulica típica será lineal en el punto en el que el fluido no entrará en las cámaras de bombeo de la bomba ya que estas cámaras se abren y cierran debido a la rotación del eje. Cuando esto ocurre, las cámaras se rellenarán solamente parcialmente y se reducirá el caudal de salida. Bajo estas condiciones, la bomba necesitará fluido. La velocidad a la que ocurre esta necesidad de fluido depende de la viscosidad y densidad del fluido hidráulico, además de la configuración física de la entrada de la bomba y las líneas de conexión.

En consideración la necesidad de fluido de una bomba de desplazamiento positivo, hay poco que hacer con la configuración de la entrada de la bomba. Asimismo, el fluido que se usa en el sistema generalmente se selecciona por razones distintas que las condiciones de entrada de la bomba, tales como para la operación de alta temperatura, resistencia al fuego, o biodegradabilidad. Por lo tanto, es necesario dimensionar la tubería de entrada y posicionar la bomba en relación al depósito de forma que la presión de entrada a la bomba sea positiva. La presión a la entrada de la bomba normalmente se llama altura de succión positiva neta (NPSH) y puede calcularse en términos de presión absoluta (NPSH). El sistema entero del nivel de fluido en el depósito en el puerto de entrada de la bomba debe ser tomado en consideración cuando se determina la NPSH. Los principales factores para determinar el NPSH son los siguientes:

• La altura atmosférica o la presión atmosférica en una localización particular (H_A).
•  La altura de fricción o la presión necesaria para superar las pérdidas debidas a la fricción cuando el fluido está fluyendo a través de la tubería, accesorios, válvulas y cambios de área (H_P).
• Altura de entrada estática o la distancia vertical de la línea central de la entrada de la bomba respecto al nivel de superficie libre en el depósito (H_R).
•  La presión de vapor del fluido a las temperaturas del fluido (H_NP).

Los parámetros anteriores pueden usarse para calcular la NPSH de acuerdo con la siguiente ecuación:

Es interesante notar que el término H_NP, aunque despreciable para fluidos hidráulicos basados en aceites minerales, pueden ser el término dominante donde los fluidos volátiles son una preocupación, tales como los fluidos hidráulicos resistentes al fuego basados en agua.

Existen numerosos gráficos que permiten calcular la NPSH a la entrada de una bomba.

La altura o pérdidas de fricción en una tubería puede calcularse a partir de la ecuación de Darcy:

Donde ∆P es la pérdida de fricción, λ es el factor de fricción, L es la longitud de la tubería, ρ es la densidad del fluido, Q es el caudal en la tubería, D es el diámetro de la tubería, y A es la sección transversal de la tubería.

El factor de fricción, λ, puede obtenerse a partir del diagrama de Moody modificado.

Componentes del sistema hidráulico

Los sistemas hidráulicos constan generalmente de los siguientes circuitos y componentes además del componente de bombeo.

•  Control de caudal.
• Control de presión.
• Actuadores lineales y rotatorios.
• Acumuladores.
• Tuberías.
• Depósitos.

Control del caudal

El control de caudal en un sistema hidráulico se usa comúnmente para controlar la velocidad de rod de los actuadores lineales o la velocidad rotatoria de los motores hidráulicos. Hay tres formas de llevar a cabo el control de los fluidos. Uno es variar la velocidad de una bomba de desplazamiento fijo; otra es regular el desplazamiento de una bomba de desplazamiento variable. El tercer modo es con el uso de válvulas de control. Las válvulas de control de caudal pueden variar desde un simple orificio para restringir el caudal a complejas válvulas de control del caudal de presión compensada y divisores de caudal.

Válvulas de aguja para el control del caudal no compensado

El control de caudal no compensado más simple es el orificio de área fija. Normalmente, estos orificios se usan en conjunción con una válvula de control de forma que el fluido debe pasar a través del orificio en una dirección, pero en la dirección inversa el fluido pasa a través del control. Otro diseño incorporar un orificio de área variable de forma que el área efectiva del orificio pueda incrementarse o disminuirse (usualmente manualmente).

El flujo de control a través de un orificio es proporcional a la caída de presión a través del orificio. Por lo tanto, si el diferencial de presión se incrementa, el caudal aumentará. Para evitar esto debe usarse una válvula de control compensada.

Válvulas de aguja de control del caudal compensadas

En estas válvulas, la fuerza opuesta al resorte es una función de la caída de presión a través del orificio fijo, no la caída de presión a través de toda la válvula. Cuando la presión diferencial a través de la válvula desde la entrada a la salida se incrementa, el caudal intentará aumentar. Sin embargo, cualquier incremento en el caudal vendrá acompañado por un incremento en la caída de presión a través del orificio fijo. Cuando este diferencial de presión es más grande que la precarga del resorte, el carrete de la válvula cambiará y el puerto de salida quedará restringido. Hay válvulas de control de caudal que son mucho más complejas; sin embargo, la mayoría operan igual ya que la caída de presión a través del orificio de control se mantiene constante utilizando un orificio variable secundario.

Las ecuaciones siguientes pueden ser usadas para calcular el caudal a través de una válvula de aguja, o una serie de válvulas, a una presión dada del sistema.

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