15 agosto 2012

Guía básicas para el diseño de sistemas hidráulicos (2ª PARTE)




Ver 1ª PARTE

Velocidad rotacional y caudal

El caudal de salida de una bomba hidráulica viene descrito por:
Donde Qd es el caudal actual o de reparto de la bomba, Qt es el caudal teórico, Ql es el caudal de pérdidas, y Qr es la pérdida resultante de la cavitación o aireación.
Sustituyendo los parámetros operacionales (velocidad, caudal, y presión) y los parámetros dimensionales (desplazamiento de la bomba) en la ecuación anterior:
Donde Qa es el caudal actual o de reparto de la bomba y Cv e el coeficiente del caudal de pérdidas (slip). De esta ecuación es aparente que el reparto de la bomba Qa es principalmente una función de la velocidad rotacional (N) de la bomba, y las pérdidas son una función de la presión de carga hidráulica (P1 – P2).
El caudal de pérdidas o slip que tiene lugar en una bomba de desplazamiento positivo es causado por el caudal de la bomba a través de las pequeñas holguras entre varias partes internas de la bomba en movimiento relativo.

Potencia mecánica e hidráulica

Es de interés a los diseñadores y usuarios de sistemas hidráulicos la potencia (Hpinput) requerida para impulsar la bomba a la presión desarrollada por la carga y la potencia de salida (Hpoutput),  que será generada por la bomba. La expresión que describe la potencia de entrada mecánica requerida para impulsar la bomba es:

Donde Hpinput es la potencia de entrada requerida (hp), Ta es el par actual requerido (lb – ft), y N es la velocidad rotacional del eje de la bomba (rpm). La potencia de salida hidráulica de una bomba viene descrita por la expresión:

Donde Hpoutput es la salida de potencia de la bomba (hp), P es la presión en el puerto de descarga de la bomba (psi), y Q es la salida de caudal actual (gpm).
Sin embargo, en el mundo real, Hpinput > Hpoutput. Esto es siempre verdad debido a que ninguna bomba o motor es 100 % eficiente. Esto se debe principalmente a la fricción mecánica interna y a las pérdidas de fluido dentro de la bomba.

Eficiencia del bombeo

La eficiencia de bombeo hidráulica o eficiencia total (Et) es una combinación de dos tipos de eficiencias: volumétrica (Ev) y mecánica (Em). La eficiencia volumétrica viene dada por:
El segundo tipo de eficiencia se llama eficiencia del par o eficiencia mecánica (Em). La eficiencia mecánica viene descrita por:

La eficiencia total (Et) se define por:
La eficiencia total también está relacionada con el consumo de potencia por:

Sustituyendo las ecuaciones de potencia de entrada y salida obtenemos la siguiente expresión para la eficiencia total de una bomba hidráulica:
El reparto teórico de la bomba también viene determinado por las dimensiones de la bomba. Sin embargo, si las dimensiones de la bomba no se conocen, se determinará ensayando la bomba. La eficiencia total de una bomba también se mide ensayando. Sin embargo, es difícil medir la eficiencia mecánica. Esto es debido a que la fricción interna juega un papel importante y no hay una forma fácil de medir este parámetro dentro de una bomba.

Diseño de sistemas hidráulico

Cuando se diseña un sistema hidráulico, el diseñador debe considerar la carga que va a moverse o controlarse. De esta forma, se determina el tamaño del actuador. El actuador es un componente del sistema hidráulico que hace que se haga el trabajo, en un cilindro hidráulico o un motor. El actuador debe ser lo bastante grande como para manejar la carga a una presión dentro de sus capacidades de diseño. Una vez se ha determinado el tamaño del actuador, la velocidad a la que la carga se mueve establecerá el caudal del sistema (gpm; galones por minuto).
Para cilindros hidráulicos,

Donde A es el área (in) y V es la velocidad (in/min). Para los motores hidráulicos,

Donde D es el desplazamiento (in3/rev).
Por ejemplo, calculemos el diámetro bore de un cilindro hidráulico (D) y caudal (Q) requerido para elevar una carga de 10.000 lb a una velocidad de 120 in/min con una presión de carga hidráulica que no exceda 3000 psi. Usando la expresión hidráulica fundamental,

Por lo tanto, puede usarse un cilindro de barra simple de doble acción con un orificio del cilindro de 2,25 o 2,5 in, dependiendo de los requerimientos del lado de altura del cilindro. Sin embargo, en el lado de la barra, el área del pistón se reduce por el área de la barra. Debido a que el área efectiva en el lado de la barra del cilindro es menor que en el lado head, el cilindro no sería capaz de levantar una carga grande retráctil.
Una vez el tamaño del cilindro ha sido seleccionado, el diseñador debe considerar los requerimientos de velocidad del sistema. La velocidad a la cual la carga debe moverse es dependiente del caudal de la bomba. Por supuesto, la velocidad de la barra del cilindro y la velocidad de la carga deben ser la misma. Usando la ecuación:

Donde Q es el caudal en el cilindro (gpm), V es la velocidad de la rod del cilindro, y A es el área del cilindro (in2).
El caudal (Q) necesario para producir una velocidad específica (V) puede calcularse combinando las dos ecuaciones anteriores. Usando un cilindro de 2,5 in de diámetro como ejemplo tenemos:

Una vez se ha determinado la presión necesaria para soportar la carga y caudal para producir la velocidad de carga especificada, puede comenzar el proceso de selección de la bomba y el diseño del sistema.
Hay varios factores en la selección de la bomba y el diseño del sistema hidráulico de los que no hemos hablado. Por ejemplo, debe decidirse la vida en servicio requerida junto con el nivel de contaminación que no debe excederse en el sistema. Los tamaños de tuberías y condiciones de entrada a la bomba deben ser considerados. El fluido usado en el sistema hidráulico es una consideración obvia.

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