Unidad 3: Introducción a la Hidráulica.

3.1 Antecedentes Históricos De La Hidráulica.

• Desde la creación el hombre ha estado empeñado en multiplicar su fuerza física.

• Inicialmente se asoció con otros para aplicar cada uno su fuerza individual a un solo objeto.

• Posteriormente un ilustre desconocido inventó la rueda y otros la palanca y la cuña.

• Con estos medios mecánicos se facilitaron enormemente las labores.

• Pronto estos elementos se combinaron y evolucionaron hasta convertirse en ingenios mecánicos muy diversos, que fueron utilizados en la construcción de los pueblos, en las guerras y en la preparación de la tierra.

• También el hombre al lado del desarrollo de los dispositivos mecánicos, empezó desde muy temprano la experimentación de la utilización de recursos naturales tan abundantes como el agua y el viento.

• La rueda hidráulica y el molino de viento son preámbulos de mucho interés para la historia de los sistemas con potencia fluida, pues familiarizaron al hombre con las posibilidades de los fluidos para generar y transmitir energía y le enseñaron en forma empírica los rudimentos de la Hidromecánica y sus propiedades.

• La primera bomba construida por el hombre fue la jeringa y se debe a los antiguos egipcios, quienes la utilizaron para embalsamar las momias.

• CTESIBIUS en el siglo II A.C., la convirtió en una bomba de doble efecto.

• En la segunda mitad del siglo XV, LEONARDO DA VINCI en su escrito sobre flujo de agua y estructuras para ríos, estableció sus experiencias y observaciones en la construcción de instalaciones hidráulicas ejecutadas principalmente en Milán y Florencia.

• GALILEO en 1612 elaboro el primer estudio sistemático de los fundamentos de la Hidrostática.

• Un alumno de Galileo, TORRICELI, enunció en 1643 la ley del flujo libre de líquidos a través de orificios. Construyo El barómetro para la medición de la presión atmosférica.

• BLAISE PASCAL, fue uno de los grandes científicos y matemáticos del siglo XVII. Fue responsable de muchos descubrimientos importantes, pero en relación con la mecánica de fluidos son notables los siguientes:

• La formulación en 1650 de la ley de la distribución de la presión en un liquido contenido en un recipiente. Se conoce esta, como ley de Pascal.

• La comprobación de que la potencia del vacío se debe al peso de la atmósfera y no a un "horror natural" como se creyó por mas de 2000 años antes de su época.

• A ISAAC NEWTON, además de muchas contribuciones a la ciencia y a las matemáticas, se le debe en Mecánica de Fluidos:

• El primer enunciado de la ley de fricción en un fluido en movimiento.

• La introducción del concepto de viscosidad en un fluido.

• Los fundamentos de la teoría de la similaridad hidrodinámica.

• Estos, sin embargo, fueron trabajados aislados de los cuales resultaron leyes y soluciones a problemas no conexos. Hasta la mitad del siglo XVIII no existía aun una ciencia integrada sobre El comportamiento de los fluidos.

• Los fundamentos teóricos de la Mecánica de Fluidos como una ciencia se deben a Daniel Bernoulli y a Leonhard Euler en el siglo XVIII.

DANIEL BERNOULLI, 1700-1782En 1738 en su "Hidrodinámica", formulo la ley fundamental del movimiento de los fluidos que da la relación entre presión, velocidad y cabeza de fluido.

• LEONHARD EULER, 1707-1783, desarrollo las ecuaciones diferenciales generales del flujo para los llamados fluidos ideales (no viscosos). Esto marco El principio de los métodos teóricos de análisis en la Mecánica de Fluidos.

• A Euler se le debe también la ecuación general del trabajo para todas las maquinas hidráulicas rotodinamicas (turbinas, bombas centrifugas, ventiladores, etc.), además de los fundamentos de la teoría de la flotación.

• En 1985, después de 135 años de la formulación de la ley de Pascal, JOSEPH BRAMAH, construyo en Inglaterra la primera prensa hidráulica.

• Esta primera prensa utilizaba sello de cuero y agua como fluido de trabajo. El accionamiento se realizaba por medio de una bomba manual y no superaba los 10 bares de presión. Sin embargo, la fuerza desarrollada por ella fue algo descomunal e inesperada para el mundo técnico e industrial de entonces.

• En los ultimos años del siglo XVIII y la mayoría del XIX, se caracterizó por la acumulación de datos experimentales y por la determinación de factores de corrección para la ecuación de Bernoulli. Se basaron en el concepto de fluido ideal, o sea que no tuvieron en cuenta una propiedad tan importante como la viscosidad.

• En los años posteriores a 1850 las grandes ciudades de Inglaterra instalaron centrales de suministros de energía hidráulica, la cual era distribuida a grandes distancias por tuberías hasta las fabricas donde accionaban molinos, prensas, laminadores y grúas.

• Todavía funcionan en algunas ciudades

europeas las redes de distribución de energía hidráulica.

• En el periodo siguiente, al final del siglo XIX y principios del XX, se tomó en cuenta la viscosidad y la teoría de la similaridad.

• Se avanzó con mayor rapidez por la expansión tecnológica y las fuerzas productivas. A este período están asociados los nombres de GEORGE STOKES y de OSBORNE REYNOLDS, 1819-1903 y 1942-1912, respectivamente.

• En la Hidráulica contemporánea se deben mencionar a: LUIDWIG PRANDTL, THEODOR VON KARMAN Y JOHAN NIKURADSE. Los dos primeros por sus trabajos en Aerodinámica y Mecánica de Fluidos que sirvieron para dilucidar la teoría del flujo turbulento; el último sobre flujo en tuberías.

• En 1906 la Marina de los EE.UU. botó El U.S.Virginia, primer barco con sistemas hidráulicos para controlar su velocidad y para orientar sus cañones.

• En 1930 se empezaron a construir las bombas de paletas de alta presión y se introdujeron los sellos de caucho sintético.

• Diez años después los servomecanismos electrohidráulicos ampliaron el campo de aplicación de la oleohidráulica (rama de la hidráulica que utiliza aceite mineral como fluido). Desde los años sesenta el esfuerzo investigativo de la industria y las entidades de formación profesional ha conducido hasta los sofisticados circuitos de la fluídica.

3.2 Aplicaciones cotidianas e industriales de la

hidráulica

Aplicaciones MóvilesEl empleo de la energía proporcionada por el aire y aceite a presión, puede aplicarse para transportar, excavar, levantar, perforar, manipular materiales, controlar e impulsar vehículos móviles tales como:

TractoresGrúasRetroexcavadorasCamiones recolectores de basuraCargadores frontalesFrenos y suspensiones de camionesVehículos para la construcción y mantención de carreteras

Aplicaciones IndustrialesEn la industria, es de primera importancia contar con maquinaria especializada para controlar, impulsar, posicionar y mecanizar elementos o materiales propios de la línea de producción, para estos efectos se utiliza con regularidad la energía proporcionada por fluidos comprimidos. Se tiene entre otros:

Maquinaria para la industria plástica

Máquinas herramientas

Maquinaria para la elaboración de alimentos Equipamiento para robótica y manipulación automatizadaEquipo para montaje industrialMaquinaria para la mineríaMaquinaria para la industria siderúrgica

Otras AplicacionesOtras aplicaciones se pueden dar en sistemas propios de vehículos automotores, como automóviles, aplicaciones aeroespaciales y aplicaciones navales, por otro lado se pueden tener aplicaciones en el campo de la medicina y en general en todas aquellas áreas en que se requiere movimientos muy controlados y de alta precisión, así se tiene:

Aplicación automotriz: suspensión, frenos, dirección, refrigeración, etc.

Aplicación Aeronáutica: timones, alerones, trenes de aterrizaje, frenos, simuladores, equipos de mantenimiento aeronáutico, etc.

Aplicación Naval: timón, mecanismos de transmisión, sistemas de mandos, sistemas especializados de embarcaciones o buques militares

Medicina: Instrumental quirúrgico, mesas de operaciones, camas de hospital, sillas e instrumental odontológico, etc.

3.3 Ventajas y desventajas

Ventajas• SOBRECARGAS: Se puede llegar en los elementos

hidráulicos de trabajo hasta su total parada, sin riesgos de sobrecarga o tendencia al calentamiento.

• FLEXIBILIDAD: El aceite se adapta a las tuberías y transmite fuerza como si fuera una barra de acero.

• MULTIPLICACIÓN DE FUERZAS: Visto en la prensa hidráulica.

• ELEMENTOS: Los elementos son REVERSIBLES además de que se pueden FRENAR en marcha.

• SIMPLICIDAD: Hay pocas piezas en movimiento como por ejemplo: bombas, motores y cilindros.

• REGULACIÓN: Las fuerzas pueden regularse de manera continua.

• VELOCIDAD: Se obtienen velocidades bajas en los actuadores.

• ALTA PRESIÓN: Exige un buen mantenimiento.

Desventajas

• LIMPIEZA: Son sensibles a la contaminación • COSTE: Las bombas, motores, válvulas

proporcionales, servo válvulas y cilindros son caras.

1 amplificador de regulación2 manómetro de presión del cilindro3 cilindro hidráulico con válvula de control4 armario de distribución5 bomba y depósito del aceite 6 carro7 amortiguador 8 volante para pretensar el resorte 9 resortes

3.4 Características de los fluidos hidráulicos

Introducción. El fluido hidráulico posee una serie de propiedades de calentamiento, lubricación y en algunas ocasiones la corrosión de los componentes mecánicos, la captación y el desprendimiento de gases y el desvío de impurezas.

Su papel es muy importante pudiendo afirmarse que gran parte de los problemas que en los circuitos hidráulicos se presentan, proceden del uso indebido del fluido hidráulico o del empleo de fluidos que contienen contaminantes.

Las características de los fluidos hidráulicos tienen la mayor influencia en el rendimiento y duración de cualquier sistema hidráulico pues resulta primordial utilizar fluidos limpios y de alta calidad para lograr un funcionamiento eficiente del sistema.

En la búsqueda de ese rendimiento óptimo se han utilizado varios tipos de fluidos a lo largo de la historia, los cuales van desde el agua hasta los modernos compuestos cuidadosamente preparados que además de poseer un fluido base contienen aditivos especiales que ayudan a obtener fluidos hidráulicos con las características necesarias para cumplir una tarea específica.

Requisitos

• Transmitir energía con baja pérdida y elevada respuesta. • Lubricar las partes en movimiento relativo. • Poseer una viscosidad adecuada. • Mantener limpios los órganos mecánicos y protegerlos d

e la corrosión. • Poseer una buena conductividad térmica. • No ser peligroso. • Poseer elevada estabilidad química. • Ser poco inflamable.

Función de los Fluidos Hidráulicos

En general, un fluido hidráulico tiene 4 funciones primarias:

• Transmitir potencia• Lubricar las partes en movimiento• Disipar calor o refrigerar• Sellar los espacios libres entre elementos

1. Transmitir potencia: a este fin todos los fluidos serían válidos (excepto los gases por ser compresibles), siempre que su viscosidad sea la adecuada a la aplicación.

Para cumplir esta función el fluido deberá fluir fácilmente a través de los conductos internos de los componentes.

Una resistencia excesiva a su circulación produciría considerables pérdidas de carga y consiguientemente un incremento en la potencia necesaria para el funcionamiento del equipo.

2. Lubricar las partes en movimiento: Esta es una de las principales misiones del fluido, y razón por la cual dejó de usarse agua para los circuitos hidráulicos.

La lubricación es la capacidad del fluido de formar una película sobre las superficies, y hacer que esta película facilite el desplazamiento de esta superficie sobre otras, evitando en lo posible el contacto directo entre estas.

En función de esta definición la lubricación puede ser:

a) Hidrostática: es aquella en que se presuriza el fluido para separar las superficies en movimiento, creando un cojín hidrostático entre ellas.

b) Hidrodinámica: en este caso la película de fluido separa a las superficies por la presión generada por el movimiento (fuerza centrífuga) del mismo.

c) Untuosa: cuando el fluido es capaz de mantenerse en contacto con las superficies sin necesidad de fuerzas externas.

d) De extrema presión: cuando el fluido es capaz de mantener la lubricación en aquellos casos en que hay contactos de las microcrestas de las superficies.

3. Disipar calor o refrigerar: El fluido debe ser capaz de absorber el calor generado en determinados puntos del sistema para luego liberarlo al ambiente a través del depósito, manteniendo estable la temperatura del conjunto durante el normal funcionamiento del equipo.

• 4. Sellar los espacios libres entre elementos: Por ejemplo, el fluido hidráulico debe ubicarse entre los espacios existentes dentro del sistema cilindro-émbolo o pistón.

Clasificación de los Fluidos Hidráulicos.

Agua industrial: cuando se quiere atenuar el poder oxidante del fluido base: • Normal • Aceite 3 5% • Si se quiere bajar el punto de congelación a un

10 -12% aceite.

Aceites: • Son de base mineral • Son mejorados con aditivos especiales

Fluidos sintéticos a base de agua:

• Emulsión de aceite en agua: también denominada emulsión directa, se trata de una emulsión de aceite (3 al 15%) en agua, que forma una especie de taladrina soluble. Tiene un costo muy bajo y excelentes propiedades de apagado de llama.

Emulsiones

• Emulsión de agua en aceite: también denominada emulsión inversa, contiene del orden de un 40% de agua. Tiene excelentes propiedades de apagado de llama y un costo bajo/medio, pero su temperatura de utilización es muy limitada, su poder lubricante medio, presenta problemas de evaporación de agua/estabilidad, y es un fluido no newtoniano.

• Fluidos agua-glicol: Son mezclas en disolución del 20 al 45% de agua y etileno propilen-glicol, con aditivos anticorrosivos y mejoradores antidesgaste.

Fluidos sintéticos no acuosos: En la actualidad existen una gran variedad de estos fluidos cada uno con sus características y propiedades muy diferentes. La elección de estos tipos de fluidos deberá hacerse teniendo en cuenta su alto precio, la posible reacción con juntas y materiales sellantes así como el ataque a pinturas e influencia fisiológica y ecológica/medio-ambiental.

• Fosfato ésteres simples o clorados. • Hidrocarburos clorados. • Silicato ésteres.

Propiedades de los fluidos hidráulicos

Viscosidad

Índice de viscosidadEl índice de viscosidad, es una medida de los cambios de viscosidad con la temperatura. Un alto índice de viscosidad representa cambios pequeños en la viscosidad cuando la temperatura cambia, mientras que un bajo índice indica grandes cambios en la viscosidad al variar la temperatura.

La mayor parte de los fluidos hidráulicos tienen índices de viscosidad comprendidos entre 90 a 110. Los comprendidos entre 130 a 200 no son casi sensibles a los cambios en la temperatura.

Las normas DIN 51524 y DIN 51525 dividen a los fluidos hidráulicos en tres clases:

Fluido hidráulico HL. Protege contra la corrosión y el envejecimiento. Fluido hidráulico HLP. Aumento de la protección contra el desgaste. Fluido hidráulico HV. Mejora las características de temperatura- viscosidad.

El significado de los códigos en el fluido hidráulico de ejemplo HLP 68 es: H = aceite hidráulico. L = aditivos que aumentan la protección contra la corrosión y la estabilidad

al envejecimiento. P = aditivos que reducen o aumentan la capacidad de tolerancia a las

cargas del circuito. 68 = código de viscosidad definido por la norma DIN 51517.

• Es lo que mas distingue a unos fluidos hidráulicos unos de otros.

La oxidación del fluido hidráulico se presenta con el uso y los cambios en la temperatura y se evidencia por cambios en el color, un incremento de la acidez, y la formación de residuos, goma o barnices en el sistema.

Se cuantifica por el aumento de la acidez, medido mediante un número de neutralización. Un cambio rápido de dicho número (en un factor de 2 a 3) indica que el fluido ha llegado al final de su vida útil y debe sustituirse.

Centrales hidráulicas

Una central Hidráulica consiste en un circuito formado por una motobomba, un tanque, un acumulador hidráulico y la red de tuberias para alimentar los dispositivos hidráulicos.Es muy importante el papel que juegan las bombas, el acumulador, los sellos y las juntas, los filtros de impurezas y todos los accesorios de protecció n de seguridad del circuito

3.5 Centrales hidráulicas, características y partes principales

Bomba hidráulica• La bomb hidráulica convierte la energía mecánica desarrollada

por el motor electrico en energía de presión hidráulica.

• La potencia eléctrica entregada es:

Potencia=Potencia en KW* Desplazamiento bomba(cm3/rev)*rpm eje bomba 600.000*Rendimiento de la bomba(0.8-0.9)

Las bombas hidráulicas que se utilizan son:Bomba de desplazamiento positivo que entrega un volumen de líquido en cada ciclo

• Bomba de desplazamiento volumétrico, entre las que se encuentran engranajes, lóbulo, tornillo, paletas, pistón axial y piston radial

O-Ring

Casquillo

Rayon

Acumulador Hidráulico Cumple la funcion de almacenar y liberar presión del fluido hidráulico ante una demanda de presión del sistema o bien para compensar fugas, o bien para mantener el circuito hidráulico en carga durante un tiempo determinado.

10

5678

9

432

10

5678

9

432

10

5678

9

432

Válvulade alivio integrada

Zona de alta presiónZona de baja presión

Válvula de alivio en la tapa de la bomba

tapa

Válvulade alivio integrada

Zona de alta presiónZona de baja presión

Válvula de alivio en la tapa de la bomba

tapa

• Función que cumple cada parte de una central hidráulica: • Presas• Están encargadas de formar el embalse; pudiendo ser de

gravedad, cuando su altura es mayor que su base y están asentadas sobre las paredes. Pueden ser rectas o curvas, con curvatura simple o doble, con o sin contrafuerte. Son caras, pero forman embalses de menor superficie de extensión, típicas de los ríos de montaña. En cambio, las presas Azud, típicas de los ríos de llanura tienen su base de mayor longitud que la altura y resulta más económica pues en la mayoría de los casos, alrededor de su núcleo central se afirman bien las piedras y si es necesario se las cubre con hormigón.

• Vertedero• Son las válvulas o el coronamiento de la presa cuya apertura

evacua el caudal en exceso no turbinado en caudales muy grandes. Son compuertas radiales de accionamiento automático.

• Caudal de derivación• Es la toma del río, cerrado o abierto, que lleva a turbinar a la

cámara de carga donde filtros evitan el paso de sólidos flotantes y peces, mientras que el resto debe decantar en ésta. En algunos casos es necesario instalar filtros para retener la arena fina que aún se arrastra.

• Tubería forzada• Es el último tramo de gran inclinación donde se reparte el agua a las turbinas.• Chimenea de equilibrio• Típicas de las centrales de montañas, es utilizada para equilibrar las presiones y

evitar el golpe de “arriete” que produce el cerrado de las válvulas.• Casa de máquinas• Es el edificio donde se instalan los generadores, las turbinas y los equipos de

control.• Transformador y playa de maniobras• Al lado de cada generador, en el exterior, un transformador eleva, en una o dos

etapas, la tensión generada hasta que corresponda a la tensión de transporte. En la playa están instalados los interruptores e instrumentos de medición.

Canal de restitución• Devuelve las aguas al río y suele tener elementos disipadores

de energía para evitar retrasos debidos a la formación de remolinos.

• En sistemas encadenados o centrales de bombeo, ésta cañería es cerrada, en el primer caso para obtener menores desniveles y en el segundo porque el agua tiene que circular en ambos sentidos.

.

1. Presa2. Válvulas de alivio (cerrada). Vertedero (abierta)3. Caudal 4. Filtro 5. Cámara de carga 6. Cañerías 7. Chimenea de equilibrio 8. Casa de maquinas 9. Transformadores 10. Estación transformadora 11. Caudal de restitución

Ventajas: • No contamina el ambiente • Emplea un recurso renovable • Genera potencia a baja temperatura• Las instalaciones auxiliares son reducidas • Arranque instantáneo con carga en pocos minutos• Desventajas: • Cada proyecto involucra un proyecto particular, según la ubicación• Los sitios de recursos aprovechables están lejos de los lugares de gran

consumo, obligando la construcción de largas líneas que encarecen la obra• La creación de grandes lagos perjudica la flora y la fauna autóctona,

modificando también el clima del lugar

Descripción de distintas turbinas

TURBINA POT. UNIT. Q (m/seg.) N (R.P.M.) H(ALTURA)Pelton 1 – 10 1 – 10 1500 – 600 >400

Francis * 1 – 1000 10 – 100 300 – 75 50 – 400Kaplan 1 – 800 < 50 300 – 75 25 – 100Hélice 1 – 100 10 – 50 300 – 150 25 – 100

Diagonal 1 – 100 10 – 50 300 – 150 <20Straflo 5 – 20 1 – 20 75 – 45 <20Bulbo 5 – 20 1 – 20 75 – 45 <20Mini # 0,01 – 0,1 - - -

Descripción de distintas turbinas * Extra rápida – rápida – normal – lenta # Pelton – Francis – Kaplan

* Extra rápida – rápida – normal – lenta # Pelton – Francis – Kaplan

• Turbina tipo BULBO• En la figura se ve el corte de una central con turbinas

de tipo bulbo. En este tipo de central, el alternador está en un bulbo rodeado por el agua. La extracción de dicho bulbo se hace desagotando totalmente los conductos, por medio de las compuertas.

• Turbina tipo KAPLAN• Salvo en las turbinas de tipo bulbo, en las restantes, se emplean grupos

generadores de eje vertical. En la figura vemos que el estator del alternador se apoya en los elementos estructurales del edificio. Pero todo el conjunto rotante queda suspendido, transmitiendo los esfuerzos por medio del eje, al cojinete superior, llamado cojinete de empuje, de construcción muy particular.

• El sistema está munido de tres cojinetes de guía para el eje y en el extremo inferior aparece la turbina.

• El cojinete de empuje se apoya en el soporte superior, que es una pieza estructural que descarga en la estructura de material.

• La elección de la turbina tambien se puede hacer siguiendo el siguiente criterio:

• Ne entre 0 y 25, ruedas Pelton con un solo inyector• Ne entre 25 y 50, ruedas Pelton con varios inyectores• Ne entre 50 y 100, turbinas Francis lentas con un rodete

• Ne entre 100 y 250, turbinas Francis normales con un rodente• Ne entre 250 y 500, turbinas Francis rápidas con varios rodetes• Ne entre 500 y 1000, turbinas Helice o Kaplan • Algunos datos característicos que podríamos dar serían, según el “Plan

Nacional de Equipamiento” extraído del libro “Ingeniería de la Energía Eléctrica” cuyo autor es Sobrevila, los costos por cada kilowatt y la potencia a instalar de futuras centrales.

APROVECHAMIENTO MW U$S / KWCorpus (Argentina-Paraguay) 4020 574

Yacyretá (Argentina-Paraguay) 2700 1058Paraná medio Patí 3300 1015

Paraná medio Chapetón 2304 1347Roncador (Argentina-Brasil) 2500 425

Garabí (Argentina-Brasil) 2196 564San Pedro (Argentina-Brasil) 745 1029

Zanja del Tigre 463 1895Potrero del Clavillo 120 1332

Alicurá 750 714Collón Curá 700 745

Piedra del Aguila 2100 386Pichi Picun Leufú 400 622

Michinuao 600 723

Algunos datos característicos que podríamos dar serían, según el “Plan Nacional de Equipamiento” extraído del libro “Ingeniería de la Energía Eléctrica” cuyo autor es Sobrevila, los costos por cada kilowatt y la potencia a instalar de futuras centrales.Completamos con los principales datos de la central “Yacyretá” binacional

3.6 Bombas Hidráulicas

• Principio de Funcionamiento • Tipos

Bomba HidráulicaDispositivo que transforma la energía mecánica en energía hidráulica, es decir, realizan un trabajo para mantener un líquido en movimiento. Consiguiendo así aumentar la presión o energía cinética del fluido.

El Impulsor crea una corriente de succión a la entrada, introduciendo el fluido en su interior y lo empuja hacia el circuito hidráulico.

El término bomba, generalmente es utilizado

para referirse a las maquinas de fluido que

transfieren energía, o bombean fluidos

incompresibles, y por lo tanto no alteran la

densidad de su fluido de trabajo, a diferencia

de otras máquinas como lo son los

compresores.

Bomba Hidráulica

Bomba HidráulicaDebe tener una fuente continua de líquido disponible en el puerto de entrada para suministrar el

líquido al sistema. Dado que la bomba fuerza el líquido a través del puerto de salida, un vacío

parcial o un área de baja presión se crea en el puerto de entrada.

Cuando la presión en el puerto de entrada de la bomba es más

baja que la presión atmosférica local, la presión atmosférica que

actúa sobre el líquido en el depósito fuerza el líquido hacia la

entrada de bomba. Si la bomba está situada en un nivel más bajo

que el depósito, la fuerza de la gravedad complementa a la

presión atmosférica sobre el depósito.

Misión:

• Transformar la energía mecánica suministrada por un motor de arrastre (eléctrico o de combustión interna) en energía oleohidraúlica. Dicho de otra manera, una bomba debe suministrar un caudal de aceite a una determinada presión

• Dar potencia a un sistema hidráulico para ejercer una función determinada

¿Porqué es necesario una bomba?

No se puede almacenar aceite a presión (a excepción de pequeñas cantidades en acumuladores) ; sólo habrá presión mientras actúe la bomba

Acumuladores

CLASIFICACION DE LAS BOMBAS HIDRAULICAS

Según el principio de funcionamiento

Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas

Bombas Rotodinámicas

HIDROSTATICAS

HIDRODINAMICAS

Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas, en las que el principio de funcionamiento está basado en la hidrostática, en estas máquinas, el movimiento del fluido es discontínuo y los procesos de carga y descarga se realizan por válvulas que abren y cierran alternativamente. (de pistón, rotativa de pistones o bomba pistones de accionamiento axial).

Bombas volumétricas rotativas o rotoestáticas, en las que una masa fluida es confinada en uno o varios compartimentos que se desplazan desde la zona de entrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de alta presión) de la máquina. (bomba de paletas, bomba de lóbulos, bomba de engranajes, bomba de tornillo).

En la mayoría de los casos no se van a usar dos bombas y hay que buscar un compromiso entre estos extremos.

Solamente una bomba

Bomba de Paletas

Bomba de Peristaltica

LAS BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO SON APLICABLES PARA:

• Volúmenes pequeños.• Altas presiones.• Líquidos limpios

LAS BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO SON APLICABLES PARA:

• Volúmenes pequeños y medianos.• Altas presiones.• Líquidos viscosos.

PRINCIPIO DE BERNOULLI

El principio de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente.

La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:Cinético: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido.

Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea.

Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee.

PRINCIPIO DE BERNOULLI

donde:V =velocidad del fluido en la sección considerada.g = aceleración gravitacionalz = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.P = presión a lo largo de la línea de corriente.ρ = densidad del fluido.

BOMBA CENTRIFUGA

Bomba que aprovecha el movimiento de rotación de una rueda con paletas (rodete) inserida en el cuerpo de la bomba misma. El rodete, alcanzando alta velocidad, proyecta hacia afuera el agua anteriormente aspirada gracias a la fuerza centrífuga que desarrolla, encanalando el líquido en el cuerpo fijo y luego en el tubo de envío.

1a carcasa, 1b cuerpo de bomba, 2 impulsor, 3 tapa de impulsión, 4 cierre del eje, 5 soporte de cojinetes, 6 eje

Bomba Cetrifuga

Las bombas deben seleccionarse según el concepto del

trabajo a realizar:

Presión máxima de trabajo.

Caudal máximo de trabajo.

Rendimiento de la bomba.

Fácil mantenimiento.

Energía requerida en la fase de arranque.

¿Cómo seleccionar una Bomba Hidráulica?

3.7 Intercambiadores de calor

3.7.1 Aire-Aceite3.7.2 Agua-Aceite

Intercambiador de calor• Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para

transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.

• Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en el que el fluido caloportador, calentado por la acción del motor, se enfría por la corriente de aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el interior del mismo.

Intercambiadores de contacto directo:son aquellos dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla física completa.

Intercambiadores de contacto indirecto:Alternativos: ambos fluidos recorren un mismo espacio de forma alternada, la mezcla entre los fluidos es despreciable.De superficie: son equipos en los que la transferencia de calor se realiza a través de una superficie, cilíndrica o plana, sin permitir el contacto directo.Existen dos tipos de intercambiadores de contacto indirecto

los cambiadores de flujo paralelo (intercambio líquido - líquido)los cambiadores de flujo cruzado (intercambio líquido - gas)

Clasificación de los intercambiadores de calor de superficie

• Los intercambiadores de flujos paralelos, se utilizan generalmente para el intercambio térmico líquido-líquido, mientras que los de flujos cruzados se utilizan generalmente en el intercambio líquido-gas.

• Intercambiadores de calor tubularesEl cambiador indirecto más simple es el cambiador de tubos concéntricos; consta de dos tuberías concéntricas, una en el interior de la otra, circulando los dos fluidos por el espacio anular y por la tubería interior. Los flujos pueden ser en el mismo sentido (corrientes paralelas) o en sentido contrario (contracorriente).

Transmisión de calor por conducción

• La conducción es la forma en que tiene lugar la transferencia de energía a escala molecular. Cuando las moléculas absorben energía térmica vibran sin desplazarse, aumentando la amplitud de la vibración conforme aumenta el nivel de energía. Esta vibración se transmite de unas moléculas a otras sin que tenga lugar movimiento alguno de traslación. En la transmisión de calor por conducción no hay movimiento de materia. La conducción es el método más habitual de transmisión de calor en procesos de calentamiento/enfriamiento de materiales sólidos opacos. Si existe una gradiente de temperatura en un cuerpo, tendrá lugar una transmisión de calor desde la zona de alta temperatura hacia la que está a temperatura más baja. El flujo de calor será proporcional al gradiente de temperatura.

Transmisión de calor por convección

• Cuando un fluido circula alrededor de un sólido, por ejemplo por el interior de una tubería, si existe una diferencia de temperatura entre ambos, tiene lugar un intercambio de calor entre ellos. Esta transmisión de calor se debe al mecanismo de convección. El calentamiento y enfriamiento de gases y líquidos son los ejemplos más habituales de transmisión de calor por convección. Dependiendo de si el flujo del fluido es provocado artificialmente o no, se distinguen dos tipos: forzada y libre (también llamada natural). La convección forzada implica el uso de algún medio mecánico, como una bomba o un ventilador, para provocar el movimiento del fluido. Ambos mecanismos pueden provocar un movimiento laminar o turbulento del fluido.

Importancia del aislamiento en la disminución de las pérdidas de calor en los equipos

• Los equipos para el procesamiento de alimentos se suelen aislar para minimizar las pérdidas de calor hacia el entorno. Si no se aíslan, los equipos pueden tener pérdidas de calor por cualquiera de los tres mecanismos de transmisión de calor: conducción, convección o radiación. Las pérdidas de calor por conducción a través del aire serán pequeñas debido a su baja conductividad (kaire=0.0258 W/m.K a 30 ºC). Las pérdidas de calor por convección serán las más importantes, pues las corrientes de convección se desarrollarán fácilmente si existe una diferencia de temperatura entre el cuerpo y su entorno

INTERCAMBIADORES DE CALOR AGUA - ACEITE

• Enfriadores de aceite hidráulico y lubricación para bajas presiones utilizados en líneas de descarga al estanque. Enfrian el aceite a temperaturas adecuadas, las altas temperaturas bajan la viscosidad del aceite y el rendimiento del sistema hidráulico. • En lubricación mantienen baja la temperatura del aceite con el fin de refrigerar componentes mecánicos. • Intercambiadores de Calor Agua - Aceite: de alto rendimiento, pueden ser instalados fácilmente en cualquier posición y lugar debido a su pequeño tamaño.

Datos requeridos para la selección del intercambiador- Flujo de aceite- Potencia del sistema- Potencia a ser disipada- Temperatura del aceite de entrada- Flujo de agua- Viscosidad del aceite Cst- Presión de trabajoPara obtener la potencia a ser disipada debe considerarse:- De la potencia total para aplicaciones standard un 40% para aplicaciones severas- Presión máxima en el circuito de aceite: 12 bar

Nota:Lista 3-60-11, Intercambiadores Agua-Aceite y Aire-AceitePara complementar y mejorar el funcionamiento de intercambiador, solicítenos información sobre válvulas termostáticas que permiten el flujo de agua, siempre y cuando la temperatura del aceite exceda un valor considerado como normal.

Acumuladores hidráulicos

Introducción

Funcionamiento

Acumulación de energía

Reserva de fluido

Accionamiento de emergencia

Frenado de emergencia

Compensación de fuerzas

Compensación de fugas

Amortiguador de golpes y vibraciones

Suspensión de vehículos

Definición de los parámetros de servicio

Calculo de cilindros hidráulicos

• Los cilindros hidráulicos de movimiento lineal son utilizados comúnmente en aplicaciones en donde la fuerza de empuje del pistón y su desplazamiento son elevados.

• Fuerzas del cilindro

• Fuerza del cilindro

• Velocidad de salida del vástago

• Caudal necesario para realizar una carrera

• Caudal real para hacer una carrera

• Volumen de una carrera

• Tiempo en salir o entrar el vástago de un cilindro

• Perdidas de presión en tubos rectos

•  Depósito hidráulico• El depósito o también llamado tanque hidráulico, cumple con varias

funciones:• - Además de servir, como uso más inmediato, de dispositivo por donde

se realiza el llenado y vaciado de fluido hidráulico, sirve también como depósito pulmón desde donde se realiza la aspiración por parte de la bomba.

• - Sirve también como elemento disipador de calor a través de las paredes del tanque, refrigerando así el aceite contenido en su interior. Para ello, es necesario que el aceite tenga un tiempo de residencia mínimo en el interior del tanque de al menos 1 ó 2 minutos. Así en función del caudal de la bomba, se podría diseñar el volumen del tanque. En efecto, para una bomba con un caudal de diseño, por ejemplo, de 10 l/min, haría falta un tanque con capacidad de al menos 20 litros.

• Bomba hidráulica• La bomba hidráulica es el componente que genera el flujo dentro del

circuito hidráulico, y está definida por la capacidad de caudal que es capaz de generar, como ejemplo, galones por minuto, litros por minuto, o centímetros cúbicos por revolución. Hay dos grandes grupos de bombas: rotativas y alternativas.

• A) Bombas rotativas:• Dentro de la familia de bombas rotativas, se encuentran los siguientes

tipos:• • Bombas de engranajes: Las bombas de engranajes son compactas,

relativamente económicas y tienen pocas piezas móviles, lo que les confiere tener un buen rendimiento.

• La cilindrada (V) de una bomba de engranaje se obtiene a partir de la siguiente expresión:

Siendo, De y Di los diámetros de punta y de base del diente del engranaje y A es el ancho de la carcasa de la bomba.• Bombas lobulares: son bastante semejantes a las de engranajes, pero con un número de dientes menor y con rangos de funcionamiento menores. Normalmente se utilizan para incrementos de presiones bajas donde puede haber problemas de erosión en los dientes si se empleara una bomba de engranajes.

• • Bombas de émbolos o pistones: en este tipo de bombas se convierte el movimiento giratorio de entrada de un eje en un movimiento de salida axial del pistón. Son un tipo de bombas por lo general, de construcción muy robustas y adecuadas para presiones y caudales altos. Su rendimiento volumétrico también es alto.

• Se pueden distinguir tres tipos de bombas de pistones:• 1. Pistones en línea: tienen una construcción muy simple y el

rendimiento que son capaces de obtener puede llegar al 97%.• El cálculo de la cilindrada (V) de una bomba de pistones en

línea se obtiene a partir de la siguiente expresión:

• siendo, C la carrera del pistón, D es el diámetro de cada pistón y Z es el número de pistones.

•  • 2. Bombas de pistones radiales: en este tipo se puede también regular el

caudal de cada pistón. Su cilindrada puede ser fija o variable, y el rendimiento puede llegar a ser de un 99 %.

• El cálculo de la cilindrada (V) de una bomba de pistones radiales se obtiene a partir de la siguiente expresión:

• siendo, e es la excentricidad (o doble de la carrera), D es el diámetro de cada pistón y Z es el número de pistones.

 • 3. Bombas de pistones axiales: también pueden ser de

cilindrada fija o variable. En las que son de caudal variable, pueden autorregularse.

• La cilindrada (V) de una bomba de pistones axiales se obtiene a partir de la siguiente expresión:

Siendo, Dp el diámetro de cada pistón, Z es el número de pistones, Dm el diámetro de la máquina y β es el ángulo de inclinación del eje (que puede ser fijo si la máquina es de eje recto, o variable si se trata de una máquina con sistema de inclinación del eje).

COMPONENTES BÁSICOS DE UN SISTEMA HIDRÁULICO.

BOMBAS HIDRÁULICAS

Las bombas hidráulicas son los elementos encargados de impulsar el aceite o líquido hidráulico, transformando la energía mecánica rotatoria en energía hidráulica.

ACTUADORES

Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas.

Existen tres tipos de actuadores:

• Hidráulicos

• Neumáticos

• Eléctricos

ACTUADORES HIDRÁULICOS

Los actuadores hidráulicos, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación, funcionan en base a fluidos a presión.

Existen tres grandes grupos:

o Cilindro hidráulico

o Motor hidráulico

o Motor hidráulico de oscilación

Son los encargados de dotar de movimiento a la estructura mecánica

Cilindro hidráulico

De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos: de Efecto simple y de acción doble. En el primer tipo se utiliza fuerza hidráulica para empujar y una fuerza externa, diferente, para contraer. El segundo tipo se emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones.

Motor hidráulico

En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la presión. Estos motores los podemos clasificar en dos grandes grupo: El primero es uno de tipo rotatorio en el que los engranes son accionados directamente por aceite a presión y el segundo de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria de un pistón o percutor. Este tipo tiene mayor demanda debido a su mayor eficiencia

VÁLVULAS HIDRÁULICAS

Una válvula hidráulica es un mecanismo que sirve para regular el flujo de un fluido.

Válvula tipo mariposa Válvula tipo compuerta

La misión de los actuadores es generar o transmitir movimiento a piezas o elementos, previas órdenes dadas por la unidad de control y mando.

Los actuadores hidráulicos utilizan como energía aceites minerales, que trabajan a presión entre 50 y 100 bares y que en ocasiones pueden superar los 300 bares.