Fundamentos de La Oleohidraulica

2

UNIDAD 2

FUNDAMENTOS DE OLEOHIDRÁULICA

CONTENIDO

2.1 El fluido oleohidráulico y características.2.2 Presión, medición e instrumentación.2.3 Leyes de la hidrostática.2.4 Leyes de la hidrodinámica.2.5 Medición de flujo.2.6 Multiplicador de fuerza.2.7 Divisor de desplazamiento.2.8 Multiplicación de presiones.

3

Conocer y definir las leyes que gobiernan la

oleohidráulica.

4

Competencia

Objetivo• Reconocer los principios fundamentales de la hidráulica y neumática.

• Identificar las aplicaciones de los sistemas hidráulicos y neumáticos en los diferentes campos industriales.

5

2.1 El fluido oleohidráulico y características

6

7

¿Que es el Fluido?

“Es toda sustancia que tiene poca cohesión intermolecular, que carece de formar propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene, se clasifican en líquidos y gases.”

Los fluidos tienden a quedarse en el recipiente que los contiene, los gases tienden a salirse de su recipiente.

8

¿Cómo se clasifican los fluidos?

Compresibles Incompresibles

9

Fluidos Hidráulicos

• Agua, poco adecuado, aunque barato.• Aceite soluble, mejora las propiedades del agua.

• Aceite vegetal.

Poco usados

• Aceite mineral, se le añaden aditivos.• Fluidos sintéticos, hidrocarburos clorados y fosfatos‐ésteres.

Muy usados

10

Fluidos HidráulicosLa vida útil del sistema hidráulico depende en gran medida de la selección y del cuidado que se tenga con los fluidos hidráulicos. Al igual que con los componentes metálicos de un sistema hidráulico, el fluido hidráulico debe seleccionarse con base en sus características y propiedades para cumplir con la función para la cual fue diseñado.

Los fluidos prácticamente son incompresibles. Por tanto, en un sistema hidráulico los fluidos pueden transmitir potencia en forma instantánea.Por ejemplo, por cada 2000 de presión, el aceite lubricante se comprime aproximadamente 1%, es decir, el aceite lubricante puede mantener su volumen constante cuando está bajo una presión alta. El aceite lubricante es la materia prima con que se produce la mayoría de los aceites hidráulicos.

11

Principales Funciones de los Fluidos Hidráulicos

Transmitir potencia

Lubricar

Sellar

Refrigerar

12

Principales Funciones de los Fluidos Hidráulicos

* Transmitir potencia, puesto que un fluido prácticamente es incompresible, un sistema hidráulico lleno de fluido puede producir potencia hidráulica instantánea de un área a otra. Sin embargo, esto no significa que todos los fluidos hidráulicos sean iguales y transmitan potencia con la misma eficiencia.Para escoger el fluido hidráulico correcto, se deben tener en cuenta eltipo de aplicación y las condiciones de operación en las que funcionaráel sistema hidráulico.

* Lubricación, los fluidos hidráulicos deben lubricar las piezas en movimiento delsistema hidráulico. Los componentes que rotan o se deslizan deben poder trabajar sin entrar en contacto con otras superficies. El fluido hidráulico debe mantener una película delgada entre las dos superficies para evitar el calor, la fricción y el desgaste.

* Acción sellante, algunos componentes hidráulicos están diseñados para usar fluidos hidráulicos en lugar de sellos mecánicos entre los componentes. La propiedad del fluido de tener acción sellante depende de su viscosidad.

13

Principales Funciones de los Fluidos Hidráulicos* Enfriamiento, el funcionamiento del sistema hidráulico produce calor a medida que se transfiere energía mecánica a energía hidráulica y viceversa. La transferencia de calor en el sistema se realiza entre los componentes calientes y el fluido que circula a menor temperatura. El fluido a su vez transfiere el calor al tanque o a los enfriadores, diseñados para mantener la temperatura del fluido dentro de límites definidos.

• Evitar la oxidación y corrosión de las piezas metálicas.

• Resistencia a la formación de espuma y a la oxidación propia del aceite.

• Mantener separado el aire, el agua y otros contaminantes.

• Mantener su estabilidad en una amplia gama de temperaturas.

• Desemulsibilidad.

Otras propiedades

Aceite = Base + Aditivos

14

Densidad Absoluta

“Es la cantidad de masa por unidad de volumen de unasustancia, es función de la temperatura y de la presión”.Se representa con la letra , donde:

Donde m es la masa y V es el volumen.Unidades SI:

15

Densidad Absoluta

La densidad absoluta enlos líquidos varia muypoco en relación con lapresión, sin embargo ladensidad disminuyecuando se incrementa latemperatura.

16

Densidad Relativa

La densidad relativa de una sustancia es la relación existente entre su densidad y la de otra sustancia de referencia; en consecuencia, es una magnitud adimensional, en otras palabras es la relación entre la masa del cuerpo a la masa de un mismo volumen de agua a la presión atmosférica y a 4 grados centígrados, es una magnitud adimensional y es función de la temperatura y presión.

17

Medición de la Densidad

El primer densímetro fue usado en Alejandría, que consta de un tubo de vidrio en cuya punta hay un peso que permite que se hunda en forma perpendicular. El tramo que se hunde en el líquido indica en la regla graduada la viscosidad relativa.

Densímetro en línea mide en base a pulsos de vibración, midiendo el cambio de la frecuencia de resonancia cuando varia la masa de la sustancia.

18

Viscosidad

Viscosidad Dinámica o Absoluta

19

“Es una propiedad de los fluidos que indica la mayor o menor resistencia que estos ofrecen al movimiento de sus partículas cuando son sometidos a un esfuerzo cortante”

Para explicar esta propiedad recurriremos al siguiente modelo:

Donde:: velocidad de la placa.∶ distancia entre las placas.

F : fuerza aplicada a la placa móvil.A : área de la placa móvil.

Viscosidad Dinámica o Absoluta

20

El esfuerzo unitario cortante:

Como el esfuerzo cortante es directamente proporcional al gradiente de velocidad, tenemos:

Donde es la viscosidad dinámica.

Sistema de unidades:SI: N ⁄ , . , .⁄Británico: óCGS: poise . ó 0.1 .

Variación de la Viscosidad Dinámica

21

En los líquidos: la viscosidad dinámica disminuye a medida que se incrementa la temperatura y es prácticamente independiente de la presión.

Leyenda:* Eje Vertical: Viscosidad dinámica* Eje Horizontal: Temperatura

Viscosidad Cinemática

22

“Es la división de la viscosidad absoluta entre la densidad de un fluido.”

Donde es la viscosidad dinámica.

Sistema de unidades:SI: ⁄Británico: CGS: stoke ⁄

Variación de la Viscosidad Cinemática

23

En los líquidos: la viscosidad cinemática disminuye a medida que se incrementa la temperatura y es prácticamente independiente de la presión.

24

ViscosidadLa viscosidad es la medida de la resistencia de un fluido para fluir a una temperatura determinada. Un fluido que fluye fácilmente tiene una viscosidad baja. Un fluido que no fluye fácilmente tiene una viscosidad alta.La viscosidad de un fluido depende de la temperatura. Cuando la temperatura aumenta, la viscosidad del fluido disminuye. Cuando la temperatura disminuye, la viscosidad del fluido aumenta. El aceite vegetal es un buen ejemplo para mostrar el efecto de la viscosidad con los cambios de temperatura. Cuando el aceite vegetal está frío, se espesa y tiende a solidificarse. Si calentamos el aceite vegetal, se vuelve muy delgado y tiende a fluir fácilmente.

En la oleohidráulica: la viscosidad dinámica y cinética disminuye a medida que se incrementa la temperatura y es prácticamente independiente de la presión.

25

Índice de ViscosidadEl Índice de Viscosidad (IV) de un fluido es la relación del cambio de viscosidad con respecto al cambio de temperatura. Si la viscosidad del fluido cambia muy poco en una amplia gama de temperaturas, el fluido tiene un Índice de Viscosidad alto. Si a temperaturas bajas el fluido se vuelve muy espeso y a temperaturas altas se vuelve muy delgado, el fluido tiene un Índice de Viscosidad bajo. Los fluidos de la mayoría de los sistemas hidráulicos deben tener un Índice de Viscosidad alto.

Medición de la Viscosidad

26

Haciendo uso de la ecuación de la viscosidad dinámica:

Considerando que:• se obtiene ya que la velocidad del

motor “w” es constante y conocida, la velocidad del tambor estacionario es cero.

• es conocida y fija.• es conocido porque se mide por

medio del medidor de torsión.

Reemplazamos los valores en la ecuación de arriba y obtenemos la viscosidad dinámica.

Medición de la Viscosidad

27

Viscosímetro portátil, se mide cuantificando el tiempo que demora en llenar cierta cantidad de volumen.

Viscosímetro en línea, se emite vibraciones y mide la frecuencia de resonancia en base al cambio de masa.

28

Viscosímetro SayboltEl equipo usado generalmente para medir la viscosidad de un fluido es el viscosímetro Saybolt. El viscosímetro Saybolt debe su nombre a su inventor George Saybolt.La unidad de medida del viscosímetro Saybolt es el Segundo Universal Saybolt(SUS).

En el viscosímetro original, un recipiente de fluido se calienta hasta una temperatura específica. Cuando se alcanza la temperatura, se abre un orificio y el fluido drena a un matraz de 60 ml. Un cronómetro mide el tiempo que tarda en llenarse el matraz. La viscosidad se lee como los segundos que el matraz tarda en llenarse, tomando como referencia la temperatura del líquido. Si un fluido calentado a 23,5 (75 ) tarda 115 segundos en llenar el matraz, su viscosidad Saybolt es de 115 SUS a 23,5 (75

). Si el mismo fluido, calentado a 37,5 (100 ) tarda 90 segundos en llenar el matraz, su

viscosidad Saybolt es de 90SUS a 37,5 (100 ).

Grado SAE e ISO de Aceites

29

Ver ejemplo de tabla de viscosidades en camiones mineros.

Ejemplo Práctico: Camiones Mineros

30

Min Min Max

-5 23 122

-15 5 122

-15 5 122

-40 -40 77

-30 -22 104

-40 -40 104

-20 -4 122 Hoist and Brake System

Cat TDTO Cat Cold Weather TDTO

Cat TO-4

SAE 0W-20 40

SAE 10W 50

Steering System

Cat HYDO Advanced 30BIO HYDO Advanced

Cat BF-2 Cat TDTO 30 Cat TDTO-TMS Cat DEO-

ULS Cat DEO Cat DEO-ULS Syn

Cat Cold Weather DEO-ULS Cat ECF-1-a, Cat ECF-2, Cat ECF-3

Cat TO-4, Cat TO-4M

SAE 30 50

Cat TDTO-TMS 50

SAE 15W-40 50

SAE 0W-30 25

SAE 5W-40 40

Off Highw ay Truck Lubricant Viscosities for Ambient Temperatures

Compartment or System Oil Type and Performance Requirements

Oil Viscosities

C F

Max

Selección del Fluido

31

1. Viscosidad mínima– Tipo de bomba– Temperatura de operación

2. Temperatura de arranquemínima– Evitar T<10º por debajo depunto de congelación– Máxima viscosidad con la quepuede funcionar la bomba– Índice de viscosidad del fluido

3. Otras propiedades– Según componentes delsistema y condiciones detrabajo:• Presencia de aditivos EP,antioxidantes, mejoradores deíndice de viscosidad, etc.

32

Tabla Fluidos Según ISO 6743/4 ‐ Características y Aplicaciones.

33

Características Fluido‐Materiales.

2.2 Presión, Medición e Instrumentación

34

Presión

AFP

AFP Pa

mN

2

Si F es la magnitud de la fuerza que el fluido ejerce sobre el émbolo y Aes el área del émbolo entonces, la presión media, p, del fluido en elnivel al que se ha sumergido se define como la razón de la fuerza alárea.

F

F

¿Que es la Presión?

36

“La presión se define como la cantidad de fuerza ejercida sobre un área unitaria de una sustancia”

Se describe con la siguiente ecuación:

Donde F es fuerza y A es el área.

Las unidades del SI son ⁄ (Pa) • 1 Bar = 10 Pa• Mm Hg = 1 Torr (Torricelli)Es una magnitud escalar.

Presión Absoluta y Relativa

37

La presión se puede expresar en cualquier sistema de unidades se puede expresar como presión absoluta o presión relativa, esta denominación no afecta a la unidad, sino al cero de la escala, haciendo la analogía con la medición de la temperatura. El 0 absoluto de temperaturas es el mismo en todos los sistemas de unidades, lo mismo sucede con el 0 absoluto de presiones.

Las presiones absolutas de miden con relación a 0 absoluto (vacío total 0 100% de vacío) y las presiones relativas con relación a la atmósfera.

Presión Absoluta y Relativa

38

La relación entre ambas presiones es:

Donde: ∶ presión absoluta, ∶ presión relativa y, : es presión atmosférica.

Instrumentación

39

Clasificación según naturaleza de medida:• Manómetros, miden sobrepresiones con relación a la presión

atmosférica.• Vacuómetros, miden las depresiones con relación a la presión

atmosférica.• Barómetro, mide la presión atmosférica.• Manómetros diferenciales, miden la diferencia de presiones.• Micromanómetros, miden la presiones muy pequeñas.

Instrumentación

40

Clasificación según principio de funcionamiento:

• Tubos piezométricos, son simples de fabricación y usan el mismo fluido para medición (no necesitan líquido manométrico), son de gran precisión tiene la limitación de medida de presión ya que se requeriría gran altura de tubo (ejm: para 200 mbar se necesita 2 m de columna de agua).

Instrumentación

41

• Manómetro de líquido, son simples de fabricación y necesitan líquido manométrico (agua, alcohol y mercurio), buena precisión tiene la limitación de medida de presión ya que se requeriría gran altura de tubo, se debe tener cuidado con la variación de la densidad y presión de saturación de vapor del líquido manométrico.

Barómetro de cubeta Barómetro U

Instrumentación

42

Micromanómetro inclinado

Manómetro diferencial

Micromanómetro diferencial tórico

Manómetro de líquido

Instrumentación

43

• Manómetro elásticos , usan un material elástico para medir la presión, son muy usados en la industria ya que trabajan en un gran rango de presiones y tienen reducido tamaño, sufren de histéresis del elemento elástico.

Manómetro de Bourdon Manómetro de membrana

Manómetro de fuelle

Manómetro de embolo y resorte

Instrumentación

44

• Transductores de presión eléctricos , transforman la energía a otra clase la cual es transmitida, procesada y enviada a distancia, de uso extenso en la industria por su gran rango de medida de presiones y su aplicabilidad en la automatización y control.

Se clasifican en:• Capacitivo o inductivo, el movimiento asociado a alguno de los

mecanismos se usa para influenciar en la propiedad (capacitiva o inductiva).

• Resistencia, el movimiento asociado a alguno de los mecanismos se usa para influenciar en la variación de la resistencia.

• Piezoeléctrico, cuando se aplica una presión sobre un material piezoeléctrico (por ejemplo, cuarzo), se genera una tensión eléctrica, proporcional a la presión ejercida sobre el material.

• Bandas extensométricas, cuando se aplica una presión sobre un material la banda se dilata variando su resistencia y con ello emite una señal.

Instrumentación

45

Transductor inductivo Banda extensométrica Transductor piezoeléctrico

Transductor capacitivoTransductor de resistencia

2.3 Leyes de la hidrostática

46

Hidrostática

47

Estudio de los fluidos en reposo.

En hidráulica consideraremos a un fluido en “reposo” cuando laenergía de velocidad es comparativamente pequeña encomparación con la energía de presión.

Es decir a pesar que el fluido este en movimiento, la energía de presión es la que predomina, de aquí que se denomine a los sistemas hidráulicos (oleohidráulicos) como SISTEMAS HIDROSTÁTICOS.

Principio de Pascal

Blaise Pascal(París, 1623 - 1662)

La presión ejercida en un punto de un líquido se transmite íntegramente a todos los puntos del mismo.

Principio de Pascal

Presión Como Consecuencia del Peso del Fluido

50

El peso del fluido genera presión a una determinada altura de profundidad.El peso específico del fluido se evalúa como y la altura como .

Este parámetro es insignificante en oleohidráulica, ya que las alturas de los equipos es sólo del orden de pocos metros (los equipos oleohidráulicos son muy compactos).

2.4 Leyes de la hidrodinámica

51

Ley de Continuidad – Rapidez de Flujo

52

Es la cantidad de flujo que fluye en un sistema por unidad de tiempo, se puede expresar mediante tres términos:

Rapidez de flujo de volumen

Rapidez de flujo de peso

Rapidez de flujo de masa

Q

W

M

Definición‐ UnidadesSI⁄⁄

⁄⁄

Donde:A: Área: Velocidad: Peso específico: Densidad

Ley de Continuidad

En un hilo de corriente (tubería) donde:

• No entra, ni sale fluido lateralmente.• Tiene corriente permanente.• No se crea, ni se destruye masa.• No hay concentración, ni dilución de masa, es decir la

densidad es constante.

Entonceslamasaqueentraen“1”esigualalamasaquesaleen“2”,entonces:

Como:

Si la densidad es constante porque el fluido es incompresible, tenemos:

= Constante

Ley de Continuidad

Conservación de la Energía

56

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

E Eingresa sale

E INGRESA = E SALE 1 + E SALE 2

Teorema de Bernoulli – Ecuación Energía

(Suiza)

Energía de presión

Energía geodésica

Energía cinética

Teorema de Bernoulli – E. de Presión

58

Energía de presión, generada por el trabajo de la presión al desplazar un volumen.

Energiadepresión unidades SI: J

Energiadepresiónespecífica unidades SI:

Donde::densidad.:presión.

V:volumen.m:masa.

Teorema de Bernoulli – E. GeodésicaEnergía geodésica, generada por el trabajo de la fuerza de la gravedad cuando desciende una altura.

Energiageodésica ρ unidades SI: J

Donde::densidad.:aceleracióndelagravedad.

V:volumen.Z:altura.

Energiageodésica específica unidades SI:

Teorema de Bernoulli – E. Cinética

60

Energía cinética, generada por el movimiento del fluido.

Energiadecinética unidades SI: J

Energiacinéticaespecífica unidades SI:

Donde::velocidad.m:masa.

Ecuación Generalizada de Bernoulli

61

En un sistema el fluido real está sometido a incrementos de energía generados por bombas y a decrementos de energía generados por motores hidráulicos, entonces la ecuación de Bernoulli quedará:

H : Suma de todas las pérdidas.H : Incremento de energía proporcionado por una bomba.H : Decremento de energía absorbido por un motor hidráulico.

Teorema de Bernoulli

62

1

1

p

v

2

2

p

v

3

3

p

v

Resistencias Hidráulicas

63

Superficie (tuberías)

Forma (accesorios

ejm: válvulas, codos,

reducciones…)

Resistencia de Superficie

64

Rugosidad promedio interna de la pared de la tubería.


65

Cuando un fluido pasa por el interior de una tubería, se genera una pérdida de energía por fricción el cual es representado por Hper.tubería, estas perdidas se calculan por medio de la fórmula de Darcy‐Weisbach:

..

Dónde:

: Factor de fricción.: Longitud de la tubería.: Diámetro interior de la tubería.: Velocidad del fluido.: Aceleración de la gravedad.


66

Para régimen laminar

El factor de fricción depende del régimen del sistema, es decir del número de Reynolds, se debe evitar diseñar en el régimen de transición.

Dónde:

: Factor de fricción.: Número de Reynolds.


67

Para régimen turbulento, se usa la formula deducida por P.K. Swamee y A. K. Jain (1976):

.

.

..

.

Dónde:

: Factor de fricción.: Diámetro interior de la tubería.

∈ : Rugosidad.∈⁄ : Rugosidad relativa.

Resistencia de forma

68

También denominadas pérdidas menores, esta engloba todas las perdidas generadas en accesorios, tales como válvulas, codo, reducciones, etc…


69

Las pérdidas de accesorios se calcula con siguiente ecuación:

..

Donde:

: Factor de accesorio.: Velocidad del fluido.: Aceleración de la gravedad.


70

Ejemplos de algunos factores “K” de accesorios.

Tuberías en Serie

71

La pérdida de todo el sistema será:Donde:

: Pérdida total.: Pérdida en la entrada.: Pérdida por fricción en la línea de succión.: Pérdida de energía en la válvula.: Pérdida de energía en los dos codos a 90o.: Pérdida por fricción en la línea de

descarga.: Pérdida a la salida.

Tuberías en Paralelo

72

Si el flujo se ramifica en dos o más líneas, se le conoce con el nombre de Sistema en Paralelo.

Tuberías en Paralelo

73

Válvula

Válvula

12

Qc

Qa

Qb

Donde se cumple lo siguiente:

Donde:: Caudal.

: Pérdida entre los puntos 1 y 2.: Pérdida en línea a.

Efecto Orificio

74

Cuando hablamos en términos hidráulicos, es común usar el término "presión de la bomba". Sin embargo, en la práctica, la bomba no produce presión. La bomba produce flujo. Cuando se restringe el flujo, se produce la presión.

Sin restricción

75

¿Qué sucede cuando un orificio restringe el flujo?Un orificio restringe el flujo de la bomba. Cuando un aceite fluye a través de un orificio, se produce presión corriente arriba del orificio. En la figura hay un orificio en la tubería entre los dos manómetros. El manómetro corriente arriba del orificio indica que se necesita una presión de 207 kPa (30 lb/pulg2), para enviar un flujo de 1 gal EE.UU./min a través del orificio.No hay restricción de flujo después del orificio. El manómetro ubicado corriente abajo del orificio indica presión de cero

76

Bloqueo del flujo de aceite al tanqueCuando se tapa un extremo de la tubería, se bloquea el flujo de aceite al tanque.La bomba regulable continúa suministrando un flujo de 1 gal EE.UU./min y llena la tubería. Una vez llena la tubería, la resistencia a cualquier flujo adicional entrando a la tubería produce una presión.Esta presión se comporta de acuerdo con la Ley de Pascal, definida como “la presión ejercida en un líquido que está en un recipiente cerrado se transmite íntegramente en todas las direcciones y actúa con igual fuerza en todas las áreas”. La presión será la misma en los dos manómetros.La presión continúa aumentando hasta que el flujo de la bomba se desvíe a otro circuito o al tanque. Esto se hace generalmente usando una válvula de alivio.Si el flujo total de la bomba continúa entrando a la tubería, la presión seguiría aumentando hasta el punto de causar la explosión del circuito.

77

Restricción del flujo en un circuito en serieEn la figura se requiere una presión de 620 kPa (90 lb/pulg2) para enviar un flujo de 1 gal EE.UU./min a través de los circuitos.Los orificios o las válvulas de alivio ubicados en serie en un circuito hidráulico ofrecen una resistencia similar a las resistencias en serie de un circuito eléctrico, en las que el aceite debe fluir a través de cada resistencia. La resistencia total es igual a la suma de cada resistencia individual.

78

Restricción de flujo en un circuito en paraleloEn un sistema con circuitos en paralelo, el flujo de aceite de la bomba de aceite sigue el paso de menor resistencia. En la figura, la bomba suministra aceite a los tres circuitos montados en paralelo. El circuito número tres tiene la menor prioridad y el circuito número uno la mayor prioridad.Cuando el flujo de aceite de la bomba llena el conducto ubicado a la izquierda de las tres válvulas, la presión de aceite de la bomba alcanza 207 kPa (30 lb/pulg2). La presión de aceite de la bomba abre la válvula al circuito uno y el aceite fluye en el circuito.

Una vez lleno el circuito uno, la presión de aceite de la bomba comienza a aumentar. La presión de aceite de la bomba alcanza 414 kPa (60 lb/pulg2) y abre la válvula del circuito dos. La presión de aceite de la bomba no puede continuar aumentando sino hasta cuando el circuito dos esté lleno. Para abrir la válvula del circuito tres, la presión de aceite de la bomba debe exceder los 620 kPa (90 lb/pulg2).

2.5 Medición de Flujo

79

Tubo de Venturi

80

Constan de dos elementos esenciales: un elemento deprimógeno que provoca una caída de presión y un manómetro diferencial que mide la caída de presión provocada por el elemento deprimógeno, el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la caída de presión.

2 2

Según Bernoulli:

Según la ecuación de continuidad:

Sustituyendo tenemos:

2 2

Tubo de Venturi

81

Despejando , que llamaremos , o la velocidad teórica, pues no se ha tenido en cuenta el rozamiento, entonces se tiene:

Y el caudal será:

1

2

El caudal real será: donde es el coeficiente de velocidad que se obtiene experimentalmente, no es constante depende del número de Reynolds, ahora considerando las alturas piezométricas tenemos:

Tubo de Venturi

82

Definiremos el coeficiente de caudal, expresado de la manera siguiente:

1

Finalmente el caudal será:

Toberas de Medida

83

Otros medidores con elemento deprimógenos son las toberas de medida, los cuales son conductos convergentes en la dirección del fluido que producen un aumento de velocidad y disminución de presión.La tobera no es más que el tubo de Venturi al que le falta la parte divergente, pero tiene más pérdidas. La deducción de la relación del caudal es similar a la del tubo de Venturi, solo que el coeficiente de velocidad ( ) y el coeficiente de caudal ( ) varía en base a las condiciones geométricas y el nro de Reynolds.

Diafragmas (Placa Orificio)

84

Otro medidor con elemento deprimógeno es el diafragma es una placa que tiene un orificio concéntrico al diámetro de la tubería.

2 2

Considerando la ecuación de Bernoulli para describir el comportamiento del diafragma, tenemos:

Pérdidas hidráulicas


85

2 2

Las pérdidas pueden expresarse como fracción de la velocidad , entonces:

2Donde eselcoeficientedepérdidas,segúnlaecuacióndecontinuidad:

=

Donde es el diámetro de la vena contracta, para simplificar usaremos:

∝ y

Sustituyendo tenemos:

2


86

Despejando, tenemos:

12

Finalmente:

= 2

Donde:

4 1

Reemplazando tenemos:

= 2

Otros Medidores con Elementos Deprimógenos

87

* Codos, se mide la caída de presión entre las zonas de baja presión (radio corto ) y la sobrepresión en el radio externo.

* Espirales, el caudal que alimenta a una turbina puede ser medido por la diferencia de presiones en la cámara espiral entre dos puntos.

Otros Medidores con Elementos Deprimógenos

88

* Válvulas, cualquier válvula genera caída de presión antes y después de ella, esta caída se usa para medir el caudal.

Medidores de Caudal de Raíz Cuadrada

89

Manómetros diferenciales, se usan manómetros diferenciales para medir el caudal, estas se basan en la siguiente relación:

∆

Donde: Q es caudal, C es una constante hallada experimentalmente para cada instrumento y ∆ es el diferencial de presión.

“E” es la escala proporcional al flujo.

Rotámetro (Área de Paso Variable)

90

Constan de un flotador el cual cambia su posición dentro del tubo proporcionalmente al flujo del fluido.

• Los tubos empleados pueden ser de diferentes materiales: plástico, vidrio y metálicos.

• Los flotadores pueden ser de acero inoxidable, aluminio, bronce, monel, níquel, plomo, tantalio y plástico.

Rotámetro (Área de Paso Variable)

91

Los flotadores pueden tener varios perfiles de construcción:

• Esféricos para bajos caudales y poca precisión, con una influencia considerable de la viscosidad del fluido

• Cilíndricos con borde plano para caudales medios y elevados con una influencia media de la viscosidad del fluido.

• Cilíndrico, con borde saliente, de cara inclinada contra el flujo con menor influencia de la viscosidad que por sus características de caudal, puede compararse a una tobera.

Caudalímetros Electromagnéticos

92

Según la ley de inducción electromagnética de Faraday, el voltaje inducido entre dos puntos perpendiculares al campo magnético inducido en un fluido, es proporcional a la velocidad del fluido.

“I” es proporcional al caudal, se usa para fluidos viscosos, sucios, con sólidos en suspensión y corrosivos.Su costo es elevado en comparación con los anteriores, pero es preciso.

Caudalímetros de Ultrasonido

93

Está dotado por dos centros emisores de ondas de ultrasonido una emite ondas en sentido del flujo y la otra en sentido contrario, la ondas forman un ángulo respecto a la dirección del caudal.Se usa para fluidos viscosos, sucios, con sólidos en suspensión y corrosivos.Su costo es elevado en comparación con los anteriores, pero es preciso.

4 2

Donde:• Q: Caudal.• D: Diámetro de tubería.• : velocidades de las ondas.• C: es el factor que se halla experimentalmente para

cada instrumento.

2.6 Multiplicador de Fuerza

94

Principio de Pascal – Prensa HidráulicaSe aplica una fuerza descendente a un pequeño émbolo de área A1. La presión se transmite a través del fluido a un émbolo más grande de área A2.

A1

A2

F1

F2

1

212

2

2

1

1

21

AAFF

AF

AF

PP

La magnitud de F2 es mayor que la magnitud de F1 por un factor de

1

2

AA

Multiplicador de Fuerza


“Las fuerzas son proporcionales a sus respectivas áreas”.Aplicando una fuerza pequeña sobre un área pequeña, se obtiene una fuerza grande aplicada sobre un área grande.

11

22 F

AAF

“La fuerza de salida es igual a la fuerza de entrada multiplicado en el factor (A2/ 1)”.

Principio de Pascal – Prensa Hidráulica

2.7 Divisor de Desplazamiento

101

Divisor de Desplazamiento

102

En el diagrama: Al aplicar la fuerza F1 el embolo 1 se desplazará haciaabajo una determinada distancia S1, lo cual determinará el desplazamientode una determinada cantidad de volumen de aceite, lo cual hará que elémbolo 2 se desplace hacia arriba una determinada distancia S2.

Como el fluido (Aceite Hidráulico) es incompresible el volumen desplazadopor el embolo 1 es igual al volumen desplazado por el embolo 2.

El desplazamiento S es inversamente proporcional a las áreas.

Conclusión:“Lo que se gana en fuerza, se pierde en desplazamiento”.

103

Ejemplo:

12

12 S

AAS

mmcm

cmcmS 01,010

100001

2

2

2

Si el émbolo 1 se desplaza 10 cm el émbolo 2 se desplazará:

Si el émbolo sobre el que descansa el gato se desplaza 10 cm, elémbolo sobre el que descansa el elefante sólo se desplaza 1centésima de mm!!Esto nos lleva a la necesidad de introducir una máquina queproporcione el desplazamiento; así el émbolo donde descansa elgato se puede sustituir por una bomba de pistones accionada porun motor eléctrico.

2.8 Multiplicador de Presiones

104

Multiplicador de Presiones

105

En la figura mostrada: la presión p1 ejercida sobre un área A1 ejerce unafuerza F1, la cual es transmitida mediante el vástago al émbolo pequeño. Eneste caso, se genera en el émbolo pequeño una presión p2 que será demayor magnitud que p1, debido a que su área de aplicación A2, es menor,para una misma fuerza F2 que es igual a F1.

Multiplicador de Presiones

106

1

2

2

1

AA

pp

12

12 p

AAp

“Las presiones generadas son inversamente proporcionales a las áreas”.

Multiplicador de PresionesEjemplo:

D1 = 5 cmD2 = 2 cmp1 = 100 barCalcular p2 (bar):

CONCLUSIÓN FINAL

108

“Los principios físicos de la oleohidráulica son la base para entender la aplicación de la Oleohidráulica en la industria y dará los fundamentos sólidos para diseñar sistemas Oleohidráulicos”

BIBLIOGRAFÍA

109

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Fundamentos de La Oleohidraulica

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