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Depósitos hidráulicos

Principios de funcionamiento y cálculos.Resumen

El depósito o tanque realiza una serie de funciones en el sistema hidráulico. Desde el almacenamiento de fluidos hasta la evacuación del calor, este artículo le ofrece al lector una visión práctica de cómo funciona el depósito, cálculos y terminología.

Símbolos de válvulas distribuidoras.

Las válvulas distribuidoras tienen muchos símbolos. Aquí dejo unos ejemplos para que los podáis ver:

Símbolo de una válvula 2/2.

Símbolo de una válvula 3/2.

Símbolo de una válvula 4/2.

Símbolo de una válvula 4/3.

Símbolo de una válvula 4/4.

Símbolo de una válvula 6/3.

Accionamiento de las válvulas distribuidoras.

El accionamiento de las válvulas distribuidoras se puede realizar de forma manual y mecánica. Cuando decimos accionamiento mecánico, nos podemos referir a un accionamiento por algún dispositivo mecánico, hidráulico o neumático. El símbolo siempre vendrá dibujado en el cuerpo de la válvula.

Símbolo general de accionamiento manual.

Símbolo de accionamiento tipo pulsador.

Símbolo de accionamiento tipo palanca.

Símbolo de accionamiento tipo pedal.

Símbolo de accionamiento por electroimán.

Símbolo de accionamiento por electroimán de dos bobinas.

Símbolo de accionamiento por presión.

Símbolo de accionamiento por depresión.

Símbolo de accionamiento por diferencial de presión.

Símbolo de accionamiento por presión.

Símbolo de accionamiento por depresión.

Símbolo de accionamiento neumático.

Símbolo de accionamiento hidráulico.

Símbolo de accionamiento por pulsador.

Símbolo de accionamiento por resorte.

Símbolo de accionamiento por roldana.

 

3. Los fluidos hidráulicos modernos

 

Como se mencionado, la evolución que se va produciendo en los sistemas hidráulicos, con un creciente grado de sofisticación y rendimiento de los equipos, ha llevado consigo que las condiciones de servicio de los fluidos hidráulicos sean cada vez más severas y es de esperar que esta tendencia siga en el futuro.

Por lo tanto, las exigencias demandadas a los fluidos hidráulicos actuales son muy superiores a las del pasado y la elección del tipo adecuado resulta cada vez más crítica y de vital importancia para obtener el rendimiento deseado.

Asimismo, la aplicación de los sistemas hidráulicos ha ido en constante aumento y se ha extendido también a industrias donde existe riesgo de incendio por la proximidad de un foco de calor al circuito hidráulico. Esto originó, en su día, la aparición de los llamados fluidos hidráulicos resistentes al fuego o de seguridad. El incremento de las normas y medidas de seguridad en el trabajo han favorecido la demanda de este tipo de productos.

Por otra parte, la preocupación existente últimamente por la ecología y todo lo relacionado con la protección del entorno ha dado lugar al reciente desarrollo de fluidos hidráulicos biodegradables y compatibles con el medio ambiente.

 

3.1. Propiedades

 

Las propiedades principales que debe presentar un fluido hidráulico son:  

Viscosidad adecuada Baja compresibilidad Buen comportamiento viscosidad/temperatura: IV elevado Buenas propiedades lubricantes, que frecuentemente deben ser

potenciadas con propiedades antidesgaste Buena estabilidad térmica Buena estabilidad química (resistencia a la oxidación y a la hidrólisis) Buena estabilidad al cizallamiento mecánico Bajo punto de congelación Buenas propiedades anticorrosivos y antiherrumbre Buen comportamiento con juntas y retenes Buenas propiedades desemulsionantes Buenas propiedades antiespumantes Buena desaireación Buena filtrabilidad (en algunos casos es fundamental)

Si bien de forma general un fluido hidráulico debe presentar todas estas propiedades, según sea el diseño del equipo, en donde el tipo de bomba presente es un factor primordial, la aplicación y sobre todo las condiciones de servicio, unas propiedades cobrarán mayor importancia que otras y, por lo tanto, se deberán ver potenciadas.

La bomba es el componente más crítico en todo sistema hidráulico. Por una parte, determina la viscosidad óptima del fluido para que la transmisión de potencia se realice de forma eficaz y por otra, al producirse en su interior las mayores presiones locales, es donde resultan más necesarias las propiedades lubricantes. Existen tres tipos diferentes de bombas: engranajes, paletas y pistones.En la mayoría de las bombas de pistones, el fluido opera en régimen hidrodinámico, por lo que su capacidad lubricante depende exclusivamente de la viscosidad. Además, los contactos metálicos presentes son acero-bronce y en consecuencia, deberá poseer una buena compatibilidad con los metales, tanto férreos como no-férreos. Contrariamente, en las bombas de paletas y engranajes se opera en régimen de lubricación mixta y en casi todas ellas los contactos son acero-acero, a excepción de ciertas bombas de engranajes que contienen elementos de bronce. Por esta razón, para estos dos tipos de bombas se requiere que el fluido posea unas buenas propiedades antidesgaste, sobre todo cuando trabajan a su máximo rendimiento.

El incremento de las prestaciones exigidas a los fluidos hidráulicos ha implicado que su tecnología se haya desarrollado fundamentalmente para mejorar las propiedades siguientes:

 

estabilidad térmica estabilidad química: oxidación e hidrólisis características antidesgaste y EP filtrabilidad

compatibilidad multi-metal: metales férreos y no férreos.

Estabilidad térmica y química

La oxidación de un fluido hidráulico se produce por la reacción de sus moléculas con el oxigeno del aire y se favorece con el aumento de la temperatura. Hasta los 60 °C, el proceso es lento, pero a temperaturas superiores la velocidad de reacción se acelera considerablemente. Es el factor principal que limita su duración en servicio y origina los siguientes efectos nocivos:

 

aumento de la viscosidad formación de compuestos ácidos corrosivos

formación de compuestos insolubles: lodos, lacas o barnices.

Ciertos aditivos, sobre todo los de tipo antidesgaste, pueden descomponerse a elevadas temperaturas o bien hidrolizarse por la presenciado agua y altas temperaturas. Esta degradación térmica y/o hidrolítica ocasiona la pérdida de aditivación y, por lo tanto, de propiedades antidesgaste, así como la formación de productos corrosivos e insolubles, al igual que sucede con el proceso de oxidación.Por una parte, los productos insolubles resultantes de dichos procesos de degradación pueden llegar a obturar los filtros presentes en el circuito y/o depositarse sobre determinados componentes del mismo (válvulas, bombas, actuadores, etc.), interfiriendo sus operaciones y causando una completa inoperabilidad del sistema. Y por otra, los productos corrosivos producidos pueden atacar los metales no-férreos existentes en el circuito, principalmente el cobre y sus aleaciones, acortando la vida útil de los correspondientes componentes, como por ejemplo las bombas de pistones.Los ensayos principales para evaluar estas propiedades son:

 

Estabilidad térmica- Ensayo Cincinnati Milacron Estabilidad a la hidrólisis: Ensayo ASTM D 2619 (ensayo de la ‘botella

de coke”) Estabilidad a la oxidación: Ensayo ASTM D 943 (TOST y su variante

“Lodos y Corrosión” ASTM D 943 1.000 horas

Características antidesgaste y EP

Los ensayos que tradicionalmente se han empleado para evaluar las propiedades antidesgaste de un fluido hidráulico son:

 

Ensayo de desgaste “4 bolas” (ASTM 04172). Ensayo en bomba Vickers y 104 0 (ASTM O 2882)

Sin embargo, la severidad de los servicios actuales en los equipos móviles y ciertos industriales, han obligado a determinados constructores de bombas hidráulicas a desarrollar nuevos ensayos basados en sus nuevas bombas de alto rendimiento. Los más importantes son:

 

Ensayo en bomba de paletas Vickers 35 VO 25 Ensayo en bomba de paletas Denison T5D-42 Ensayo en bomba de pistones axiales Denison P 46.

 

Los principales ensayos sobre bombas hidráulicas se describen en la Tabla III.

El método más extendido en Europa para medir las propiedades EP de un fluido hidráulico es el ensayo FZG (DIN 51 354-2).

Tabla III. Principales ensayos sobre bombas hidráulicas

 

FiItrabilidadActualmente la filtración tiene una enorme importancia para el buen funcionamiento de un sistema hidráulico, especialmente en aquellos circuitos con controles electrónicos, como las modernas máquinas-herramientas. Por ello, en estos casos se precisa que el fluido hidráulico posea una buena filtrabilidad.En todo sistema hidráulico el fluido debe ser compatible con los filtros instalados y no ha de producir la colmatación de los mismos. De hecho, la filtrabilidad es una propiedad intrínseca del fluido y está ligada a su composición (bases + aditivos) y a su homogeneidad (estabilidad y solubilidad de los aditivos). Algunos aditivos, particularmente los mejoradores de IV (solubilidad) y los de tipo antidesgaste (hidrólisis), pueden ocasionar problemas de filtración por la formación de un gel en la superficie de los filtros y, por lo tanto, se han de elegir cuidadosamente.Los ensayos corrientemente empleados para determinar la aptitud a la filtración de los fluidos hidráulicos son:

 

Ensayo Denison TP 02-100: 1,2 micras y 2 % agua. Indice Silting (ASTM F-52): 0,8 micras y 0,1 % agua.

 

3.2. Clasificación

 

Los fluidos hidráulicos se clasifican de dos formas:

Clasificación en función de la viscosidad

Desde 1977 se ha adoptado internacionalmente para los aceites lubricantes industriales la clasificación de viscosidad dada por la norma IS0 3448-75 (Tabla IV). Esta clasificación define 18 grados de viscosidad en el intervalo 2 a 1.500 cSt (mm2/s). Cada grado se representa por un número entero que indica la viscosidad cinemática media del aceite a 40ºC y sus límites se sitúan a un ± 10 % de este valor medio. Entre dos grados sucesivos hay una diferencia de aproximadamente el 50%.

 

Tabla IV. Norma ISO 3448. Clasificación de los  lubricantes líquidos industriales en función de la viscosidad.

Clasificación en función del nivel de calidad.

La clasificación más adoptada actualmente es la dada por la norma internacional ISO 6743/4, que define 17 categorías de fluidos hidráulicos (Familia H) según su naturaleza, propiedades y aplicaciones (Tabla V).

Símbolo H: hidráulico

Símbolo HF: hidráulico Fuego.

 

Tabla V. Norma ISO 6743/4. Clasificación de los fluidos hidráulicos (Familia H)

 

3.3. Tipos

Atendiendo a su naturaleza, los fluidos hidráulicos empleados actualmente en la industria se pueden dividir en los siguientes grandes grupos:

3.3.1. Aceites hidráulicos minerales

Con este nombre, o simplemente con el de aceites hidráulicos, se conocen todos los fluidos hidráulicos de base aceite mineral. Constituyen el grupo más empleado, representando aproximadamente el 90 % del consumo total de fluidos hidráulicos en la industria, debido a que satisfacen las exigencias de la mayoría de aplicaciones con una favorable relación prestaciones/precio. Su principal limitación para el servicio es que poseen una mala resistencia al fuego, por lo cual resultan inadecuados en todos aquellos casos donde puede existir riesgo de incendio y, consecuentemente, predomina el factor seguridad.

Clasificación

En función de la viscosidad: norma ISO 3448 (Tabla IV) En función del nivel de calidad: norma ISO 6743/4 (Tabla V).

 

Los grados de viscosidad más representativos son: ISO VG 10, 15, 22, 32, 46, 68, 100 y 150.

La norma 150 6743/4, al igual que su equivalente francesa AFNOR NF-E-48602, define para los sistemas hidrostáticos 6 categorías de aceites hidráulicos minerales en función de sus propiedades específicas:

Sistemas hidráulicos: HH, RL, HM, HP y HV Sistemas hidráulicos y guías: HG (máquinas-herramientas con el

engrase centralizado para el grupo hidráulico y las guías).

En EE.UU los aceites hidráulicos minerales se han clasificado tradicionalmente en dos grandes categorías:

 

Aceites R & O  (Rust and Oxidación): inhibidos contra la oxidación y herrumbre. A este grupo pertenecen las categorías HL y HR definidas por la norma ISO 6743/4 y sus equivalentes.

Aceites AW  (Anti-Wear): con propiedades antidesgaste, además de las correspondientes a los tipos R & 0.

A este grupo pertenecen las categorías HM y HV definidas por la norma ISO 6743/4 y sus equivalentes.

Principales especificaciones

Hasta la fecha presente no hay ninguna especificación internacional que permita fijar y cuantificar el nivel de calidad de los distintos tipos de aceites hidráulicos minerales, encontrándose únicamente en estado de elaboración un proyecto de norma ISO (Proyecto ISO N 56/1986).

En cambio, existen varias especificaciones elaboradas por determinados organismos nacionales, entre las cuales cabe destacar:

 

La norma AFNOR NF-E-48603 (Francia) define las características de las 6 categorías dadas por la ISO 6743/4.

Las normas DIN 5l524 Parte 1 y DIN 5l524 Parte 2 (RFA) definen las características de los aceites categoría HL y HLP, respectivamente. categoría DIN-HL: se corresponde con la ISO-L. HL. Categoría DIN-HLP: se corresponde con la ISO-L HM

 

A escala europea, el CETOP (Comité Européen des Transmissions Oléo-hydrauliques el Pneumatiques) ha elaborado los proyectos de clasificación RP 75 H y especificaciones RP 91 H, los cuales son sensiblemente análogos a los adoptados por la AFNOR.

Asimismo, algunos principales constructores de bombas y equipos hidráulicos han elaborado sus propias normas y especificaciones, siendo las más importantes (Tabla VI):

 

Tabla VI. Especificaciones de los principales constructores de equipos hidráulicos

Abex Denison

HE - 0: bombas de pistones y paletas. Servicio severo:

HF- 1: bombas de pistones axiales. Servicio severo.

HF-2: bombas de paletas. Servicio severo

Sperry Vickers

M-2950-S: bombas de paletas para equipos móviles. Ensayo en bomba 35 VQ 25

I-286-S: bombas de paletas para equipos industriales Ensayo en bomba 104 C.

Cincinnati Milacron

P-38, P-54, P-55 Y P-57: Aceites R&O (HL)

P-68, P-69 y P-70: Aceites AW (HM)

 

Tipos

Hasta hace muy pocos años y siguiendo el modelo tradicional adoptado en EE.UU., únicamente se distinguían dos grandes categorías de aceites hidráulicos minerales en el mercado: los aceites R & O y AW. Con estos dos niveles de prestaciones se podían cubrir todas las exigencias de las especificaciones y servicios existentes.

Sin embargo, los últimos avances producidos en los equipos hidráulicos, con una incorporación cada vez mayor de bombas de alto rendimiento y el diseño de sistemas donde es posible encontrar una combinación de bombas de engranajes, paletas y pistones en el mismo circuito, operando todas ellas a la máxima potencia, ha hecho necesario el desarrollo de aceites hidráulicos aptos para todos los tipos de bombas en condiciones de servicio severo.

A estos aceites se les suele denominar aceites antidesgaste ‘universales” (UAW) y representan el nivel de calidad más alto existente hoy en día para los aceites hidráulicos minerales.Los aceites antidesgaste son los que han experimentado una mayor evolución tecnológica. Los primeros tipos contenían fosfatos orgánicos como aditivos antidesgaste, siendo el fosfato de tricresilo (TCP) el más utilizado. Posteriormente, con el aumento de tas exigencias de los servicios, se adoptaron los aditivos ditiofosfatos de zinc (Zn DTP). Este aditivo es el que se ha empleado universalmente hasta nuestros días, pudiéndose distinguir tres etapas bien diferenciadas en la tecnología aplicada (Tabla VII):

  

Tabla VII. Etapas de la tecnología de los aditivos Zn DTP aplicada a los aceites hidráulicos antidesgaste

Las propiedades de los Zn DTP dependen de la naturaleza del alcohol con que se han obtenido.

Existen 3 clases diferentes:

 

derivados de alcoholes primarios (dialquilditiofosfatos de zinc) derivados de alcoholes secundarios (dialquilditiofosfatos de zinc) derivados de fenoles: diarilditiofosfatos de zinc

En la Tabla VIII se resumen de forma comparativa las prestaciones dadas por distintos tipos de aditivos de Zn DTP disponibles actualmente. El estudio se ha realizado considerando su comportamiento en los ensayos más significativos para evaluar, tanto la estabilidad térmica e hidrolítica como las propiedades antidesgaste y EP de un fluido hidráulico.A la vista de los resultados obtenidos se deduce que los Zn DTP alquil primarios “estabilizados” son los que presentan una mejor combinación de todas estas propiedades y los únicos que permiten cumplir todos los ensayos pedidos en las especificaciones más severas, particularmente la Denison HF-0.

 

Tabla VIII. Estudio realizado sobre distintos tipos de aditivos Zn DTP

Por lo tanto, la elección del tipo de Zn DTP tiene una influencia decisiva en el nivel de prestaciones que tendrá el aceite hidráulico que formular.

De acuerdo con la tecnología de la aditivación incorporada en su formulación, los aceites hidráulicos minerales empleados actualmente en la industria se pueden clasificar en los tres grandes grupos siguientes:

Aceites R & O : 

contienen aditivos inhibidores de oxidación y corrosión, antiherrumbres y antiespumantes. Si se precisa, también pueden incorporar mejoradores de IV, depresores del punto de congelación y desemulsionantes. Son compatibles con los metales férreos y no férreos, por lo que resultan especialmente indicados para todos los sistemas hidráulicos que equipan bombas de pistones, donde es

frecuente la presencia de contactos acero- bronce y se opera en régimen hidrodinámico. La aditivación es del tipo “sin cenizas”.

Las principales especificaciones existentes para estos aceites son:

Denison HF-1

Cincinnati Milacron P-38, P-54, P-55 y P-57

DIN 51524 Parte 1 Categoría HL

AFNOR NF-E 48603 Categorías HL y HR

CETOP PP 91 H Categoría HL 

Aceites antidesgaste “convencionales”  (AW):

contienen aditivos antidesgaste, además de los citados para los tipos R&O. El aditivo universalmente empleado es el Zn DTP y concretamente los tipos alquil primario y secundario. En general se prefieren los alquil Zn DTP secundarios por su superior estabilidad a la hidrólisis. Proporcionan una excelente protección contra el desgaste en los contactos acero-acero cuando se trabaja en régimen de lubricación mixta y, por lo tanto, resultan especialmente indicados en los circuitos con bombas de paletas y/o engranajes. Sin embargo, debido a que poseen una estabilidad térmica limitada, no son adecuados para las bombas de pistones operando a pleno rendimiento, ya que pueden atacar los elementos de bronce presentes en dichas bombas, sobre todo si se llegan a alcanzar temperaturas elevadas. Estos aceites normalmente contienen un 0,06-0,09% de zinc (High-Zinc Technology).

También se pueden considerar pertenecientes a esta categoría algunos aceites formulados con aditivos basados en la química azufre-fósforo (SIP), totalmente libres de zinc. Esta aditivación es del tipo “sin cenizas” y también proporciona unas buenas propiedades antidesgaste/EP.

 Las principales especificaciones que definen el nivel de calidad de estos aceites son:

Denison HF-2

Vickers M-2950-S

DIN 51524 Parte 2 Categoría HLP

AFNOR NF-E-48603 Categorías HM y HV

CETOP RP 91 H Categorías HM y HV

 

Aceites hidráulicos antidesgaste “Universales”   (UAW): 

Estos aceites son los únicos hasta el momento que combinan de forma satisfactoria unas buenas propiedades antidesgaste/EP con una buena compatibilidad con los metales no férreos, gracias a su excelente estabilidad térmica. Son aptos para todos los tipos de bombas y, por lo tanto, resultan especialmente indicados para aquellos circuitos que contienen una combinación de bombas de engranajes, paletas y pistones. Su aditivación está basada en los denominados Zn DTP “estabilizados” y más concretamente en los alquil primarios estabilizados de cadena larga. El “paquete” completo consiste en un balance equilibrado de Zn DTP estabilizado y aditivos antioxidantes y antiherrumbres específicos. El contenido en zinc del aceite formulado es bajo, típicamente 0,03-0,06% Zn (Low-Zinc Technology).

Las principales especificaciones que definen el nivel de calidad de estos aceites son:

Denison HF-0

Vickers M-2950-S

Cincinnati Milacron P-68, P-69 y P-70

DIN 51524 Parte 2 Categoría HLP

AFNOR NF-E 48603 Categorías HM y HV

CETOP RP 91 H Categorías HM y HV

 

3.3.2. Fluidos resistentes al fuego

Como su nombre indica, a este grupo pertenecen todos los fluidos que tienen propiedades de resistencia al fuego y son aptos para el uso en sistemas hidráulicos. El término “resistente al fuego” puede producir confusiones. A menudo se ha interpretado equivocadamente como “ininflamable” y mucha gente se sorprende al observar que los fluidos resistentes al fuego pueden arder en ciertas condiciones. La definición más aceptada es: “la resistencia de un fluido a inflamarse, su rechazó a propagar la llama cuando está presente algún foco de ignición y su facilidad para apagarse cuando dicho foco se aleja”.

Estos fluidos se emplean por motivos de seguridad en aquellos casos donde hay un manifiesto peligro de incendio o explosión y, por ello, también se denominan fluidos de seguridad. La combinación de aceite mineral a presión y una fuente de calor puede suponer un gran riesgo de incendio. Una simple fuga

de aceite a elevada presión en el circuito produce una pulverización del fluido que se proyecta a gran distancia y, si entra en contacto con una llama, chispa eléctrica, metal caliente, etc., la inflamación es instantánea.

 

Tipos

La resistencia al fuego puede ser debida a la presencia de agua, en forma de emulsión o de solución química, o bien a la naturaleza química de sus moléculas. Por consiguiente se pueden distinguir en los dos grandes grupos siguientes: 

Fluidos acuosos (clases HEA, HFB y HFC):

Emulsiones de aceite en agua (Clase HFAE) y soluciones químicas acuosas (Clase HFAS): normalmente contienen un 95% de agua y un 5% de aceite (HFAE) o aditivos (HFAS). A estos fluidos también se les conoce con el nombre de HWBF (“High Water Base Fluid”).

Emulsiones de agua en aceite o emulsiones invertidas (Clase HES): la cantidad de aceite varía entre el 50 y el 60%.

Soluciones de polímeros en agua (Clase HFC): en general estos polímeros son mezclas de glicol y poliglicoles. La cantidad en agua varía entre aproximadamente el 40 y el 50%. Corrientemente se conocen con el nombre de fluidos agua-glicol.

Fluidos anhidros (exentos de agua) (Clase HFD):

A este grupo pertenecen los siguientes fluidos sintéticos:

Esteres fosfóricos, principalmente alquil o arilfostatos (Clase HFDR). Hidrocarburos dorados, particularmente los difenilclorados (Clase

HFDS). Mezcla de los dos tipos anteriores (Clase HFDT). Esteres de polialcohol (Clase HFDU) Mezcla de éster fosfórico/aceite mineral (Clase HFDU) Mezcla de éster fosfórico/éster carboxílico (Clase HFDU) Silicatos ésteres (Clase HFDU) Fluidos de silicona (Clase HFDU) Fluoroésteres (Clase HFDU) Hidrocarburos fluorados (Clase HFDU)

Los fluidos más empleados actualmente en la industria son las clases HFA, HFB, HFC, HFDR y entre los de la clase HFDU, sobre todo los ésteres de polialcohol. En EE.UU.también se emplean las mezclas de éster fosfórico con aceite mineral o éster carboxílico. Sus principales áreas de aplicación son: HFA y HFB en minería, HFC en fundición y los citados HFD en la industria siderúrgica.

3.3.3. Fluidos sintéticos

A este grupo pertenecen todos los fluidos hidráulicos de origen sintético que no poseen propiedades de resistencia al fuego. Se obtienen por síntesis química y están totalmente libres de aceite mineral.Se emplean en aplicaciones muy específicas, donde un aceite hidráulico mineral no puede dar un resultado satisfactorio (por ejemplo, temperaturas muy altas o muy bajas).

 

3.3.4. Fluidos “HWBF” (High Water Base Fluid)

Como su nombre indica, estos fluidos poseen un alto contenido en agua y, entre los tipos disponibles actualmente en el mercado, cabe distinguir dos grandes grupos:    

los fluidos “95/5” los fluidos espesados con polímeros solubles en agua.

Fluidos “95/5”(95 % de agua y 5% de materia activa)

A este grupo pertenecen los fluidos HFAE y HFAS, clasificados básicamente como fluidos resistentes al fuego. Desde el punto de vista tecnológico existen tres clases diferentes: emulsiones de aceite en agua, microemulsiones de aceite en agua y soluciones químicas.

Históricamente los primeros tipos conceptuados como “HWBF” fueron las emulsiones de aceite en agua, empleadas desde hace mucho tiempo en minería (transmisiones hidrostáticas). En estos últimos años se ha producido un importante desarrollo en este grupo de productos, dirigiéndose las nuevas tecnologías hacia los fluidos tipo microemulsión y solución química. Ello ha significado un fuerte impulso en sus aplicaciones, sobre todo en EE.UU y concretamente en la industria del automóvil (máquinas-herramientas). El interés de estos fluidos no es únicamente por motivos de seguridad (ininflamabilidad), sino más bien por razones económicas (95% de agua).

Los fluidos “95/5” presentan las siguientes características:  

contenido en materia activa: del orden del 5% protección contra la corrosión y herrumbre, tanto en fase líquida como

en fase vapor protección contra el desgaste protección contra las bacterias.

Sin embargo, presentan el inconveniente de que su viscosidad es muy similar a la del agua (aprox. 1 cSt a 40 °C) y, por consiguiente, demasiado baja para asegurar una buena lubricación con el material corrientemente empleado en los equipos hidráulicos. Así pues, para su aplicación se requiere que los sistemas estén adaptados a este tipo de fluidos.

Actualmente se utilizan en aplicaciones con pocas exigencias: 

temperatura comprendida entre 5 y 50°C presión inferior a 70 bar.  

Fluidos   espesados

 

Recientemente se han desarrollado polímeros solubles en agua, con buena resistencia al cizallamiento y que, en pequeñas proporciones, permiten formular “HWBF” con las viscosidades más típicas de los fluidos hidráulicos (ISO VG 32, 46 y 68). El contenido en agua de este tipo de fluidos puede variar entre aproximadamente un 80 % (ISO VG 32) y un 75 % (ISO VG 68). Evidentemente, el logro de viscosidades más altas requiere una mayor concentración de polímero.

La posibilidad de alcanzar un amplio rango de viscosidades mediante estos polímeros ha incrementado el campo de aplicaciones de los “HWBF”.

3.3.5. Fluidos biodegradables o compatibles con el medio ambiente

La sensibilidad existente últimamente por todo lo referente a la ecología y protección del entorno ha originado el reciente desarrollo de fluidos hidráulicos que no producen ningún tipo de contaminación, debido a que son fácilmente biodegradables. Estos fluidos, denominados “biodegradables” o “compatibles con el medio ambiente”, resultan especialmente indicados en todas aquellas aplicaciones donde los residuos pueden causar efectos adversos en el medio ambiente. Como ejemplos típicos se pueden citar: maquinaria forestal, equipos de dragado y, en general, todos los equipos de trabajo de aguas donde exista riesgo de que el fluido entre en contacto con el agua y la pueda contaminar.

Existen dos tipos principales:

 

Los fluidos basados en polialquilenglicoles (PAGs), que son solubles en agua

Los fluidos basados en ésteres sintéticos, que son insolubles en agua

Asimismo, también hay en el mercado fluidos basados en aceites vegetales, pero su uso se encuentra muy limitado por su débil resistencia a la oxidación. 

Tipos de bombas:- Caudal constante:-Engranajes (externos, internos - lobulares)-Paletas (rotor y equilibradas)-Tornillo sin fin manuales- Caudal variable:-Paletas sin equilibrar-Pistones (radiales, axiales y eje inclinado - barrilete)Bombas Rotativas

Este tipo de movimiento es el que traslada el fluido desde la aspiración hasta la salida de presión.A) Bombas de engranajes externosSu caudal va de 1 a 600 l/min. Su presión varía de 15 a 175 Kg./cm2  (presión de punta hasta200 Kg./cm2). Su velocidad va de 500 a 3000 rpm.Las bombas corrientes de engranajes tienen construcción simple, pero tienen el defecto de tenerun caudal con pulsaciones. Los ejes de ambos engranajes están soportados por cojinetes derodillos ubicados en cada extremo. Generalmente son trabajan con un motor eléctrico.Se ejecutan en las platinas laterales un pequeño fresado lateral que permite el escape del aceitecomprimido, ya sea hacia la salida o hacia la aspiración; para que no se generen presionesexcesivas cuando el fluido quede atrapado entre dos dientes.El árbol y el piñón conductor - piñón conducido son de cementación Cr - Ni cementados. El cuerpoes de fundición gris aluminio.El tipo de bomba más utilizado son las de engranajes rectos, además de las helicoidales ybihelicoidales (con la función de hacerlas mas silenciosas a altas velocidades).En condiciones óptimas estas bombas pueden llegar a dar un 93% de rendimiento volumétrico.Son sin lugar a dudas las bombas más ruidosas del mercado. Por ello no se emplean enaplicaciones fijas e interiores, donde su nivel sonoro puede perjudicar a los operarios que lastrabajan. Son ampliamente utilizadas en maquinaria móvil, agricultura, obras públicas y minería,aplicaciones en las que el nivel sonoro no es determinante y  con ambientes muy contaminados yfluidos hidráulicos a los que se les presta pocas atenciones de mantenimiento.Principio de funcionamiento:Produce caudal al transportar el fluido entre los dientes de dos engranajes acoplados. Uno de elloses accionado por el eje de la bomba (motriz), y este hace girar al otro (libre).La bomba de engranajes funciona por el principio de desplazamiento; el piñón es impulsado segúnse indica en la figura; se hace girar al piñón B en sentido contrario. En la bomba, la cámara S (deadmisión), por la separación de los dientes, en la relación se liberan los huecos de dientes.

Esta depresión provoca la aspiración del líquido desde el depósito.Los intradientes llenados impelen el líquido a lo largo de la pared de la carcasa hacia la cámara P.En la cámara P los piñones que engranan impelen el líquido fuera de los intradientes e impiden elretorno del líquido de la cámara P hacia la cámara S.

Por lo tanto el líquido de la cámara P tiene que salir hacia el receptor, el volumen del líquidosuministrado por revolución se designa como volumen suministrado V (cm3/rev).El caudal teórico en m3/s de las bombas de engranajes externos sería:Qt =  ((2 - Pi) / 60) - Dr - m - b - nDr = Diámetro primitivo de la rueda motrizm = Módulob = Ancho del dienten = Velocidad de giro (rpm)

B) Bombas de engranajes internos (Semiluna)

Estas bombas de engranajes internos disponen de dos engranajes, uno interno cuyos dientesmiran hacía el exterior, y otro externo con los dientes hacía el centro de la bomba, el eje motrizacciona el engranaje interno.En este tipo de bombas hay, entre los dos engranajes, una pieza de separación en forma demedia luna (semiluna). Esta pieza está situada entre los orificios de entrada y salida, donde laholgura entre los dientes de los engranajes interno y externo es máxima. Ambos engranajes giranen la misma dirección, pero el interno, al tener un diente más, es más rápido que el externo.El fluido hidráulico se introduce en la bomba en el punto en que los dientes de los engranajesempiezan a separarse, y es transportado hacia la salida por el espacio existente entre la semilunay los dientes de ambos engranajes.La estanqueidad se consigue entre el extremo de los dientes y la semiluna; posteriormente, en elorificio de salida, los dientes de los engranajes se entrelazan, reduciendo el volumen de la cámaray forzando al fluido a salir de la bomba.

Poseen un desgaste menor por la reducida relación de velocidad existente. Son utilizadas encaudales pequeños y menor presión. A diferencia de las de engranajes externos, este tipo debombas son más silenciosas, pero a su vez tienen mayor costo.El caudal teórico en m3/s de las bombas de engranajes internos sería:

Qt =  ((2 - Pi)  / 60) - F - b - nF = Sección libre entre el anillo exterior y la rueda dentadab = Ancho del dienten = Velocidad de giro (rpm)

C) Bombas de lóbulos  externos

Son bombas rotativas de engranajes externos, que difieren de estas en la forma de accionamientode los engranajes. Aquí ambos engranajes tienen sólo tres dientes que son mucho más anchos ymás redondeados que los de una bomba de engranajes externos son accionadosindependientemente por medio de un sistema de engranajes externo a la cámara de bombeo.Ofrecen un mayor desplazamiento, pero su coste es mayor y sus prestaciones de presión yvelocidad son inferiores a las de las bombas de engranajes, tiende a dar un caudal más pulsátil.Esta bomba es más adecuada para utilizarla con fluidos más sensibles al cizalle, lo mismo quepara fluidos con gases o partículas atrapadas. Su elevado coste y sus bajas prestaciones de caudaly presión hacen que estas bombas no se empleen en sistemas oleohidráulicos, a pesar de

PRINCIPIO DE LA HIDRODINÁMICA: EXPLICACIÓN RESUMIDA DE LA TEORÍA:

A continuación estudiaremos la circulación de fluidos incompresibles, de manera que podremos explicar fenómenos

tan distintos como el vuelo de un avión o la circulación del humo por una chimenea. El estudio de la dinámica de los

fluidos fue bautizada hidrodinámica por el físico suizo Daniel Bernoulli, quien en 1738 encontró la relación

fundamental entre la presión, la altura y la velocidad de un fluido ideal.

El teorema de Bernoulli demuestra que estas variables no pueden modificarse independientemente una de la otra,

sino que están determinadas por la energía mecánica del sistema.

que un fluido ideal circula por una cañería como la que muestra la

Concentremos nuestra atención en una pequeña porción de fluido V

con celeste): al cabo de cierto intervalo de tiempo Dt (delta t) , el

una nueva posición (coloreada con rojo) dentro de la Al cañería. ¿Cuál

“exterior” a la  porción V que la impulsa por la cañería?

extremo inferior de esa porción, el fluido “que viene de atrás” ejerce

que, en términos de la presiónp1, puede expresarse corno p1 . A1, y

en el sentido del flujo. Análogamente, en el extremo superior, el fluido

adelante” ejerce una fuerza sobre la porción V que puede expresarse

como P2 . A2, y está aplicada en sentido contrario al flujo. Es decir que el trabajo (T) de las fuerzas no conservativas

que están actuando sobre la porción de fluido puede expresarse en la forma:

T=F1 . Dx1- F2. Dx2 = p1. A1. Dx1-p2. A2. Ax2

Si tenemos en cuenta que el fluido es ideal, el volumen que pasa por el punto 1 en un tiempo Dt (delta t) es el

mismo que pasa por el punto 2 en el mismo intervalo de tiempo (conservación de caudal). Por lo tanto:

V=A1 . Dx1= A2. Dx2 entonces T= p1 . V - p2. V

El trabajo del fluido sobre esta porción particular se “invierte” en cambiar la velocidad del fluido y en levantar el

agua en contra de la fuerza gravitatoria. En otras palabras, el trabajo de las fuerzas no conservativas que actúan

sobre la porción del fluido es igual a la variación de su energía mecánica Tenemos entonces que:

T = DEcinética + AEpotencial = (Ec2 — Ec1) + (Ep2 — Ep1)

p1 . V — P2 . V = (1/2 .m . V2² — 1/2 . m. V1²) + (m . g . h2 — m . g . h1)

Considerando que la densidad del fluido está dada por d=m/V podemos acomodar la expresión anterior para

P1 + 1/2 . d.  V1² + d . g. h1= P2 + 1/2 . d. V2² + d . g . h2

Noten que, como los puntos 1 y 2 son puntos cualesquiera dentro de la tubería, Bernoulli pudo demostrar que la

presión, la velocidad y la altura de un fluido que circula varian siempre manteniendo una cierta cantidad constante,

p + 1/2. d . V² + d. g. h = constante

Veremos la cantidad de aplicaciones que pueden explicarse gracias a este teorema.

Una multitud de espectadores pretende salir de una gran sala de proyecciones al término de la función de cine. El salón es muy ancho,

pero tiene abierta al fondo sólo una pequeña puerta que franquea el paso a una galería estrecha que conduce hasta la calle. La gente, impaciente dentro

de la sala, se agIomera contra la puerta, abriéndose paso a empujones y codazos. La velocidad con que avanza este “fluido humano” antes de cruzar la

puerta es pequeña y la presión es grande. Cuando las personas acceden a la galería, el tránsito se hace más rápido y la presión se alivia.

fluido no es ideal, puesto que es compresible y viscoso (incluso podría ser turbulento), constituye un buen modelo de circulación dentro de un tubo que se

estrecha. Observamos que en la zona angosta la velocidad de la corriente es mayor y la presión es menor.

APLICACIONES:

EL TEOREMA DE TORRICELLI

un depósito ancho con un tubo de desagote angosto como el de la figura. Si

caño, el agua circula. ¿Con qué velocidad? ¿Cuál será el caudal? En A y en B la

atmosférica PA=PB=Patm. Como el diámetro del depósito es muy grande respecto del

caño, la velocidad con que desciende la superficie libre del agua del depósito es muy

comparada con la velocidad de salida, por lo tanto podemos considerarla igual a

de Bernoulli queda entonces:

d. g. hA + pA= 1/2 . d. hB + pB

g .  hA = 1/2 . vB² + g. hB de donde VB²= 2. .g . (hA-hB)

de donde se deduce que:

VB² = 2. g(hA - hB)

Este resultado que se puede deducir de la ecuación de Bernoulli, se conoce como el teorema de Torricelli

enunció casi un siglo antes de que Bernoulli realizara sus estudios hidrodinámicos. La velocidad con que sale el

agua por el desagote es la misma que hubiera adquirido en caída libre desde una altura hA, lo que no debería

sorprendernos, ya que ejemplifica la transformación de la energía potencial del líquido en energía cinética.

EL GOL OLÍMPICO

Una pelota que rota sobre si misma arrastra consigo una fina capa de aire por efecto dei rozamiento.

Cuando una pelota se traslada, el flujo de aire es en sentido contrario al movimiento de la pelota.

Si la pelota, a la vez que avanza en el sentido del lanzamiento, gira sobre sí misma, se superponen los mapas de

las situaciones A y B. El mapa de líneas de corrientes resulta de sumar en cada punto los vectores VA ~i VB. En

consecuencia, a un lado de la pelota, los módulos de las velocidades se suman y, al otro, se restan. La velocidad del

aire respecto de la pelota es mayor de un lado que del otro.

En la región de mayor velocidad, la presión (de acuerdo con el teorema de Bernoulli) resulta menor que la que

hay en la región de menor velocidad. Por consiguiente, aparece una fuerza de una zona hacia la otra, que desvía la

pelota de su trayectoria. Éste es el secreto del gol olímpico.

EL AERÓGRAFO

pulverizadoras de pintura funcionan con aire comprimido. Se dispara aire a

por un tubo fino, justo por encima de otro tubito sumergido en un depósito

acuerdo con el teorema de Bernoulli, se crea una zona de baja presión sobre

suministro de pintura y, en consecuencia, sube un chorro que se fragmenta

gotas en forma de fina niebla.

Muy pocos de los fluidos utilizados en sistemas hidráulicos son generalmente excepcionales en todas

las consideraciones, cada aplicación es diferente de los demás, los equipos hidráulicos industriales y

móviles trabajan en condiciones terriblemente extremas. Hoy en día, hay una gran variedad de fluidos

para cada aplicación.

Estos son los tipos más comunes de fluidos que actualmente se aplican.

1. Derivados del petróleo. Aceites Hidráulicos a base de petróleo son los más generalmente utilizados

para aplicaciones hidráulicas, donde no hay peligro de incendio, ni probabilidad de fugas que puedan

causar contaminación de otros productos, sin grandes fluctuaciones de temperatura, y sin

impacto ambiental.

2. Resistentes al fuego. En aplicaciones en las que los riesgos de incendio o contaminación del medio

ambiente son un problema, los fluidos a base de agua o mezclas acuosas ofrecen varias ventajas. Los

fluidos que incluyen agua-glicol y fluidos de agua-en-aceite que utilizan emulsionantes, estabilizantes y

otros aditivos. Debido a su lubricidad reducida, las bombas de pistones utilizadas con estos fluidos deben

ser limitadas a 3000 psi máximo.

 

3. Mezclas de agua y glicol. Estos fluidos incorporan del 35 al 60 % de agua para proporcionar la

suficiente resistencia al fuego, adicionalmente, anticongelantes como el etileno, Di etileno, propileno los

cuales no son tóxicos y biodegradables, incluyendo un espesante tal como poli-glicol para proporcionar

la   viscosidad requerida. Estos tipos de líquidos también proporcionar todos los aditivos importantes,

tales como anti-desgaste, espuma, oxidación, además de inhibidores de la corrosión. Viscosidad, pH, y

el   control de la dureza del agua son sumamente importantes en estos sistemas.

4. Mezclas de aceite en agua. Estos líquidos se hacen de las gotitas de aceite muy pequeñas dispersas

en una fase continua en agua. Todos estos fluidos tienen muy baja viscosidad, excelente resistencia al

fuego, y la capacidad de una buena refrigeración, debido a la gran proporción de agua. Los aditivos deben

ser útiles para mejorar su lubricidad inherentemente pobre y para proteger los componentes contra la

corrosión.

5. Mezclas de agua en aceite. El contenido de agua en fluidos de aceite podría ser aproximadamente del

40 por ciento. Estos fluidos consisten en gotas de agua muy compactas dispersas en una fase continua

de aceite. La fase de aceite ofrece excelente lubricidad, el contenido de agua proporciona el nivel

necesario de resistencia al fuego y aumenta la capacidad de enfriamiento.

6. Fluidos sintéticos resistentes al fuego. Estos fluidos se fabrican de tres variedades de fibras

sintéticas: esteres de fosfato, hidrocarburos clorados, y también de base sintética. Estos líquidos no

contienen agua o materiales inestables, y que ofrecen un funcionamiento aceptable en altas temperaturas

sin perder los elementos esenciales. Los fluidos también son adecuados para aplicaciones de alta

presión.

7. Aceites vegetales. La producción de aceites hidráulicos vegetales llega hasta los miles de millones de

litros en estos días. Sin embargo, debido a la complejidad tecnológica y las razones monetarias, pocos

son utilizables para la formulación de fluidos EA (Ambientalmente aceptable). Los aceites

vegetales útiles hidráulicos ofrecen una excelente capacidad de lubricación y no son tóxicos y altamente

biodegradables, relativamente más asequible en comparación con los fluidos sintéticos, y se construyen a

partir de los recursos naturales renovables.

8. Aceites de colza o canola, parece ser la base para el más común de los fluidos hidráulicos

biodegradables. La alta calidad de RO se ha mejorado con el tiempo, y se ha convertido más y más

popular, pero tiene problemas, tanto en altas y bajas temperaturas y se inclina a envejecer rápidamente.

Su costo, aproximadamente el doble que el aceite mineral hace que sea más accesible que muchos

otros fluidos EA.

10. Poli-glicol. La aplicación de estos está disminuyendo debido a su toxicidad acuosa, mientras que es

mezclado con aditivos lubricantes y además por la incompatibilidad con los aceites minerales, así como

materiales de sellado. los fluidos a base de Poli-glicol se han ofrecido por mucho tiempo y todavía se

utilizan ampliamente. También se utilizan realmente desde mediados de 1980-en las máquinas de

construcción (excavadoras) y una variedad de instalaciones fijas. Esos fueron los primeros aceites

biodegradables en la industria.

11. Agua. Al tener la posibilidad de que las restricciones ambientales cada vez más estrictas en la

aplicación de aceite minerales, los fluidos hidráulicos a base de agua puede convertirse en una

alternativa realista. El agua pura tiene baja lubricidad y no puede trabajar como un   lubricante en el

sentido convencional, pero el agua se ha utilizado como  fluido hidráulico en los usos especiales donde

la contaminación por fugas y el peligro de incendio son las principales preocupaciones. Nuevos diseños y

también el uso de materiales resistentes al desgaste positivamente han puesto de manifiesto las

posibilidades de utilización del agua como fluido hidráulico nuevo.

Hidrodinámica

En este capítulo estudiaremos lo que sucede cuando los fluidos se mueven en relación a un conducto y cuando un objeto se mueve en relación a ellos. El personaje central de esta apasionante historia es Daniel Bernoulli, cuyo perfil podemos ver en el recuadro de la figura 80.

Las leyes de Bernoulli

A continuación se propone una serie de observaciones y experimentos simples de realizar.

a) Al soplar por encima de una hoja de papel dispuesto horizontalmente bajo la boca, como se indica en la figura 2, el papel se levanta. Una variante de este experimento consiste en soplar por el espacio que hay entre dos globos ligeramente separados. Como lo indica la figura 82, los globos se juntan.

b) Si se sopla por una pajilla doblada sobre una abertura de modo que funcione como atomizador, tal como se ilustra en la figura 83, el agua asciende por la pajilla vertical inmersa en ella.

c) Si se afirma con un dedo una pelota de pimpón en un embudo (preferiblemente transparente) y justo cuando soples fuertemente por el vástago del embudo se saca el dedo, la pelotita, en vez de caer, se mantiene dentro del embudo, como muestra la figura 84.

d) Con un secador de pelo se puede mantener flotando en el aire una pelotita de pimpón del modo que se ilustra en la figura 85. Cuando la pelota está en equilibrio, al mover el chorro de aire de un lado a otro, la pelota sigue al chorro y continúa en equilibrio. Si se inclina un poco el chorro de aire, constatarás que tampoco cae.

e) Cuando uno camina por la orilla de una carretera y pasa un bus o un camión muy grande y muy rápido, ¿qué se siente? Una fuerza empujará hacia la carretera y uno puede caer sobre ella, especialmente si se va en bicicleta.

f) Al acercar una pelota que cuelga de un hilo al chorro de agua que sale de una llave se observa que la pelota puede mantenerse en equilibrio en la posición que se indica en la figura 86; es decir, parece que el flujo de agua y la pelota se atraen.

Todas estas situaciones tienen algo en común: fluidos en rápido movimiento. ¿Qué ocurre con la velocidad de un fluido que se mueve por un tubo en que cambia su sección, por ejemplo, al pasar de una cañería gruesa a otra más delgada?

La figura 87 ilustra bien esta idea. Si presionamos de igual manera el pistón de dos jeringas idénticas, una sin aguja y otra con aguja, podremos apreciar que el líquido sale mucho más veloz en el segundo caso; es decir, cuando la sección del conducto es menor. En realidad, la rapidez v con que se mueve el fluido es inversamente proporcional a la sección A de la cañería. Ello ocurre igual con el agua que fluye por un río o canal, que se mueve más rápido en los lugares en que éste es más angosto o menos profundo. Este fue el primer descubrimiento de Bernoulli, el cual puede expresarse diciendo que:

V • A = constante

Rapidez  de flujo de fluido: cantidad de flujo que fluye en un sistema por unidad de tiempo. Se puede expresar como rapidez de flujo de volumen (Q): que es el volumen de flujo de fluido que pasa por una sección por unidad de tiempo (más conocida como CAUDAL).

Q = v · Av: velocidad promedio del flujoA: área de la sección transversal

La ecuación de continuidad

Si un fluido fluye desde la sección transversal  A1 hacia una  sección transversal  A2 (Fig. 8) con rapidez constante, es decir, si la cantidad de fluido que pasa por cualquier sección en un cierto tiempo dado es constante, entonces la masa M de fluido que pasa por la sección A2 en un tiempo dado debe ser la misma que la que fluye por la sección A1, en el mismo tiempo. Entre las secciones A1 y A2 no hay ni generación ni acumulación de masa por unidad de tiempo, esto es:

M1=M2

Como M = p · v · A, entonces:

? 1 · v1 · A1 = ?2 · v2 ·A 2

Si el fluido que circula entre las secciones A1 y A2 es incompresible (?1=?2), la ecuación de continuidad se expresa por:

v1 · A1 =  v2 · A2   [1]

Q 1 = Q 2

Supongamos que un flujo de agua viaja con una rapidez de 50 cm/s por una cañería de sección 6 cm2, según se indica en la figura 8. Si la cañería se hace más angosta, de modo que su sección se reduce a 2 cm2, ¿con qué rapidez se moverá en esta zona?

Aplicando la relación [1] tenemos que:

v1 · A1 = v2 · A2

Clasificación

Sección válvula de bola.

La clasificación de las válvulas utilizadas en las obras hidráulicas puede hacerse según el tipo

de obra hidráulica:

Presas  y centrales hidroeléctricas

Válvulas para descarga de fondo en presas, por ejemplo del tipo Howell-Bunger.

Válvulas disipadoras de energía

Válvulas para regular el caudal en una toma

Válvulas para regular la entrada de agua a la turbina

Válvulas tipo aguja

Acueductos

Válvula tipo mariposa

Válvula tipo compuerta

Válvula tipo esférico

Válvulas antirretorno

Válvula de pie

Válvula de disco autocentrado

Sistemas de riego

Válvulas para hidrantes

Válvulas antirretorno

Válvulas de pie