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.
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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