FLUIDOS HIDÁULICOS. PROPIEDADES
El empleo del fluido hidráulico como elemento de accionamiento y gobierno de máquinas sustituye, con ventaja, a una serie de órganos mecánicos convencionales como: palancas, árboles de transmisión, usillos de avance, engranajes, etc.; reduciendo los problemas de desgaste y mantenimiento, además de estar exentos de vibraciones y ser muy fácil la regulación de velocidad.
La hidráulica comenzó a desarrollase en el siglo XVII, basándose en el principio de Pascal, según el cual un fluido confinado puede trasmitir energía multiplicando la fuerza y modificando el desplazamiento.
Rueda hidráulica
Freno hidráulico
Densidad
Es una propiedad de todos los materiales que se define como el cociente entre la masa y el volumen que ella ocupa. d = m / V
Los líquidos se consideran en general, fluidos incompresibles. El aceite hidráulico se comprime aproximadamente un 0,5% a una presión de 70 bar, lo que es despreciable. Al igual que los gases, carecen de forma propia y adoptan la forma del recipiente que los aloja.
La densidad relativa es el cociente entre la densidad del material en cuestión y la del agua. También puede expresarse como la relación entre la masa de ese material y el volumen de igual masa de agua. El agua tiene una densidad de 1 kg/dm3, a 4 ºC.
La densidad relativa es adimensional e indica cuantas veces es un volumen de un material mas pesado que el mismo volumen de agua.
Presión de vapor
La evaporación de los líquidos se produce porque sus moléculas escapan de su superficie. Si cerramos el líquido en un espacio, las moléculas del vapor generado ejercen una presión parcial en dicho espacio que se denomina presión de vapor. En el equilibrio, el número de moléculas que salen del líquido en forma de vapor coincide con las que se condensan. Este hecho depende solamente de la temperatura.
Si la presión alrededor de un líquido coincide con la de vapor, el líquido hierve.
Puede suceder que en el movimiento de líquidos se produzcan presiones muy bajas en algunos lugares. Si esta presión es igual o inferior a la de vapor, el líquido se transforma en vapor, y se forman bolsas que se retiran de su zona de origen y se transforman de nuevo en líquido. Éste fenómeno de implosiones se denomina cavitación, y tiene como consecuencia la erosión de las partes metálicas en bombas y turbinas.
Viscosidad
La viscosidad consiste en el frotamiento interior entre las moléculas de un fluido, y representa una medida de la resistencia del fluido en su movimiento. Si un fluido circula fácilmente es de viscosidad baja, si el fluido circula con dificultad tendremos viscosidad alta. En el caso de los líquidos la viscosidad disminuye con la temperatura.
Una viscosidad alta aumenta la fricción y por tanto la potencia consumida.
En Física, la viscosidad se define como la resistencia que ofrece una capa de fluido a desplazarse sobre otra.
Si tomamos dos placas paralelas separadas una distancia y, con el espacio entre ellas lleno de fluido, y suponiendo que la placa superior se mueva con una velocidad constante (v) al actuar sobre ella una fuerza también constante (F), el fluido en contacto con la placa móvil se adhiere a ella moviéndose a su misma velocidad (U), mientras que el fluido en contacto con la placa fija permanecerá en reposo.
La experiencia demuestra que la fuerza (F) es proporcional al área y a la variación de la velocidad con la separación y. Al coeficiente de proporcionalidad µ se le denomina viscosidad absoluta o viscosidad dinámica.
Al cociente entre la fuerza y la sección cuando ambas están en el mismo plano se denomina tensión de cortadura (t).
La unidad de viscosidad en el sistema CGS es el poise
1 poise = 1 dina . Segundo / 1 cm2
Se conoce como viscosidad cinemática (?), al cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad. Su unidad en el sistema CGS es el stoke. ? = µ / d
Las unidades en el SI son [kg.s/m2] para la viscosidad absoluta y [m2/s] para la cinemática.
La viscosidad es una característica que varía en los aceites con la temperatura. Para paliar este efecto se añaden aditivos, con los que se consigue un comportamiento semejante en invierno y verano.
Punto de fluidez.
El punto de fluidez es la temperatura más baja a la que un líquido puede fluir. En el aceite hidráulico es muy importante conocer ésta característica cuando se utiliza a temperaturas muy bajas.
Capacidad de lubricación.
Índice de viscosidad.
Esta característica se produce por los diferentes tipos de petróleo de los que se obtienen los aceites minerales.
Si el aceite tiene una viscosidad adecuada se podrá evitar que las imperfecciones de las superficies metálicas entren en contacto.
Resistencia a la oxidación.
Los aceites derivados del petróleo son muy susceptibles a la oxidación. Como elementos activadores de la oxidación tenemos el calor, la presión, los contaminantes, el agua, las superficies metálicas y la agitación. El elemento mas importante es el calor. Los fabricantes añaden antioxidantes para evitar este efecto.
Fluido estacionario. Flujo laminar y flujo turbulento.
Un fluido real debido a la viscosidad, tendrá una mayor velocidad en el centro del tubo que en las partes más alejadas.
Decimos que un régimen es la minar cuando, aunque cada línea de corriente tenga diferente velocidad, deslizan unas sobre otras no entremezclándose. En caso contrario se dice que el flujo es turbulento.
La viscosidad del fluido amortigua la turbulencia.
Las velocidades admitidas en el interior de las tuberías son:
De 1,5 a 2,5 m/s para aspiración y descarga.
De 2,5 a 5 m/s para tuberías de presión.
PRINCIPIOS FÍSICOS FUNDAMENTALES
Principio de Pascal. La prensa hidráulica
La ley de Pascal dice: La presión aplicada a un fluido confinado se trasmite íntegramente en todas las direcciones y ejerce fuerzas iguales sobre áreas iguales, actuando estas fuerzas normalmente a las paredes del recipiente.
La presión es: utilizando como unidad el bar
(aproximadamente 1 kp/cm2 ), la fuerza sobre el fondo de la botella es:
El principio de la prensa hidráulica si tenemos dos cilindros de diferente sección unidos por una conducción y se aplica una fuerza F1 sobre el émbolo de menor sección S1, como la presión se trasmite en todas direcciones por igual, se tendrá:
El desplazamiento del émbolo de menor diámetro debe ser mayor al del émbolo de mayor superficie, por tanto es necesario disponer de un depósito auxiliar que permita desplazar al émbolo mayor con varias emboladas o carreras del menor ya que los volúmenes del líquido que sale del cilindro menor será igual al volumen que llega al mayor.
Ley de continuidad.
Definiendo el caudal como el volumen de líquido que circula por unidad de tiempo, y teniendo en cuenta que los caudales que atraviesan cada sección han de ser iguales,
Q1 = Q2, se deduce:
Ley de continuidad que dice que las velocidades y las secciones son inversamente proporcionales. Como las secciones son circulares tenemos:
Podemos decir que la velocidad será inversa al cuadrado del diámetro.
Teorema de Bernouilli. Energía hidráulica.
Establecemos el siguiente balance energético:
Una energía estática (energía potencial), debida a la masa y que depende de la altura de la columna sobre el nivel de referencia. Su valor mgh1 y mgh2.
Una energía hidrostática debida a la presión. Su valor lo podemos medir por el trabajo desarrollado en cada zona:
p1S1I1 y p2S2I2 (pS representa la fuerza).
Una energía hidrodinámica (energía cinética), debida a la velocidad. Su valor en cada zona: 1/2 mv12 y 1/2 mv22.
La suma de energías en una y otra zona será igual:
Considerando que el producto SI representa el volumen, que será igual en ambas zonas, y que la masa es el producto de la densidad por el volumen (m = dV), dividiendo entre el volumen, tenemos la ecuación de Bernouilli para el flujo de un fluido en régimen estable:
Suponiendo una conducción horizontal h1= h2, nos quedará:
Vemos que si disminuye la velocidad debe aumentar la presión para que la igualdad se mantenga. Por la ley de continuidad:
valor que sustituimos en la diferencia de presiones:
de donde:
Podemos hacer las siguientes consideraciones:
Se puede despreciar la variación de energía potencial, pues los circuitos no presentan grandes desniveles en su montaje.
La variación de energía cinética es pequeña debido a la pequeña masa de aceite ya que los tubos son muy estrechos.
El transporte de energía por el aceite se debe fundamentalmente a su presión.
Potencia hidráulica.
La potencia necesaria en una bomba hidráulica se puede calcular dividiendo la energía de presión entre el tiempo, sabiendo que el volumen dividido por el tiempo es el caudal, tenemos:
En el SI las unidades son:
P = potencia en W.
p = presión en N/m2.
Q = caudal en m3/s.
? = rendimiento (entre 0,75 y 0,95)
Pérdida de carga.
La pérdida de carga, o caída de presión es la disminución de presión que experimenta un líquido al circular por un conducto. Deben ser lo más pequeña posible. Se calcula mediante:
Donde: hf = pérdida de carga en altura de columna de líquido
I = longitud del conducto, D = diámetro del conducto
v = velocidad de circulación del líquido, g = gravedad
? = coeficiente de fricción o rozamiento (adimensional)
Recordar que multiplicando altura por densidad y por gravedad se obtiene la presión.
VENTAJAS DE LA HIDRÚLICA. INSTALACIONES HIRÚLICAS
Fácil regulación de la velocidad.
Reversibilidad instantánea de los accionamientos.
Producción de grandes fuerzas.
Los actuadores pueden detenerse en cualquier posición.
La estructura de bloques de una instalación hidráulica responde al esquema:
El motor eléctrico acciona la bomba. La bomba se encarga de generar la presión de trabajo y el caudal requerido por los elementos de trabajo. Los elementos de transporte, tuberías y racores, se encargan de transportar el fluido hasta el lugar de consumo. Los elementos de trabajo son los actuadores, tanto motores como cilindros que para su correcto funcionamiento utilizan elementos de regulación y control.
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