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Cuaderno de Hidráulica: Diseño básico de una central hidráulica. Inactividad del circuito hidráulico.

¿Que es lo que ocurre cuando nuestro sistema hidráulico está inactivo, no consume caudal y la bomba principal continua girando?. El diseño de circuitos hidráulicos abarca un campo de la técnica muy amplio. Uno de los problemas más habituales que puede producirse sobre nuestro sistema hidráulico viene causado por la desviación de los valores de la temperatura del fluido hidráulico, tanto por arriba como por abajo. A la hora de seleccionar los componentes de un circuito hidráulico es importante tener en cuenta la posible producción de un fuerte calentamiento del aceite, hay que acotar las circunstancias en el que puede producirse para tratar de evitarlo. Igual de importante es tener en cuenta los sistemas para el aumento de la temperatura del aceite para el caso en el que tratemos de arrancar la central hidráulica partiendo de una temperatura ambiente muy baja. A partir de los componentes básicos de una instalación, consumidores, generadores de caudal y elementos de control, vamos a idear una central hidráulica teniendo en cuenta las posibles causas que pueden producir un aumento de temperatura.

Vamos a considerar un caso práctico sencillo, algo muy básico para mostrar la idea sin entrar en detalles constructivos. En principio, nuestro esquema deberá estar formado, como todo sistema hidráulico de los elementos generadores de energía hidráulica (bomba), los elementos distribuidores (válvulas distribuidoras) y, por último, los elementos de potencia o consumidores, en este caso un cilindro hidráulico de doble efecto. En la siguiente figura puede apreciarse la disposición básica de estos elementos y la conexión entre ellos.

Esquema básico de control de un cilindro de doble efecto

El tanque hidráulico (1) contiene el fluido usado por nuestro sistema, es normal, por ejemplo el uso de aceite hidráulico ISO VG 46. La bomba principal del sistema (2), instalada en el tanque, está accionada en este caso por un motor eléctrico y conectada a la bomba mediante un acoplamiento elástico. Como elemento distribuidor se ha usado una válvula (3) de cuatro vías y tres posiciones accionada por palanca y con retorno por muelle a su posición central que, en este caso, mantiene cerradas las 4 vías de la misma. Por último, el elemento de potencia o consumidor (4) es un cilindro de doble efecto cuyo diseño constructivo es irrelevante para nuestro propósito. Este diseño puede parecer muy atractivo y funcional. Para mover el cilindro hidráulico simplemente deberíamos accionar la palanca de la válvula distribuidora 4/3, el caudal de aceite fluiría hacia la cámara correspondiente del cilindro y, una vez superadas las pérdidas de carga ocasionadas en el mismo, éste comenzaría a moverse hacia afuera alcanzándose la presión máxima en el circuito cuando el cilindro alcanzase su posición de fin de carrera. Ahora bien, puede apreciarse que si el sistema permanece inactivo, es decir, la válvula distribuidora se encuentra en su posición central, el caudal de aceite generado por la bomba no tiene por dónde fluir y se alcanzaría la presión máxima a la salida de la bomba que, si es de tipo volumétrico, produciría la destrucción inmediata de la misma. Podríamos parar la bomba cada vez que el sistema estuviera inactivo pero es poco práctico, difícil de implementar en un sistema manual y acortaría la vida del motor. Es necesario por tanto introducir las modificaciones necesarias para permitir el retorno del fluido hidráulico al tanque cuando el sistema permanezca en inactividad. Veamos el siguiente esquema hidráulico.

Esquema hidráulico con retorno a tanque en inactividad

Puede apreciarse a primera vista que, en este caso, se ha utilizado una válvula distribuidora similar pero con una diferencia muy importante, los canales internos en su posición central están dispuestos de tal forma que queda conectado el canal de presión con el canal de retorno al tanque. De esta forma cuando el consumidor hidráulico permanece inactivo, todo el caudal generado en la bomba atraviesa la válvula 4/3 hacia el tanque. De esta forma evitamos paros indeseados en la bomba e incluso daños graves en la misma. Se ha colocado así mismo un nuevo elemento (5), se trata de una válvula antiretorno que evita que el circuito se vacíe cuando la bomba está parada, así conseguimos que nuestro sistema tenga arrancadas suaves y sin golpes que inevitablemente se producirían en caso de tener tuberías llenas de aire. Es necesario, por tanto, que la válvula 4/3 sea capaz de dejar pasar todo el caudal generado en la bomba, si no es así se producirá el indeseado calentamiento del aceite hidráulico. Igualmente, en caso de tener un esquema hidráulico con múltiples elementos consumidores este método tampoco es la mejor solución ya que podemos tener cilindros hidráulicos inactivos y otras partes del circuito en funcionamiento con lo cual el caudal de aceite se perdería por aquellas válvulas que estuvieran en su posición central. Veamos cómo podemos seguir mejorando nuestro diseño, en el siguiente esquema puede apreciarse otro nuevo elemento introducido en el circuito.

Esquema hidráulico con válvula limitadora de presión

Esta vez seguimos usando una válvula 4/3 con canales cerrados en su posición central pero, como novedad, hemos introducido la válvula limitadora de presión regulable (6) cuya función es la de limitar la presión máxima del circuito hidráulico protegiendo al mismo de sobrepresiones indeseadas. Esta válvula limitadora deberá regularse al valor máximo deseado, siempre por debajo de la presión máxima que puede aguantar el elemento del circuito más débil. Cuando el circuito se encuentre inactivo se producirá una sobrepresión que será debidamente absorbida por dicha válvula, siendo atravesada por la totalidad del caudal generado en la bomba. De esta forma, es fácil deducir que la válvula limitadora de presión debe ser del tamaño adecuado al caudal generado por la bomba. Como inconveniente tendremos la aparición de un fuerte calentamiento del aceite hidráulico en el tanque, producido cuando éste atraviesa la válvula limitadora ya que se produce una laminación del aceite al atravesar el asiento de la misma que se encuentra presionado mediante el resorte elástico que regula el tarado de la válvula limitadora. Es una circunstancia que debemos evitar a toda costa ya que es un efecto indeseado que, a la larga, puede limitar las propiedades físicas y químicas del fluido hidráulico empleado.

Uso de una válvula limitadora de presión comandada

En la figura anterior se muestra un nuevo circuito que emplea una válvula limitadora de presión similar a la empleada anteriormente con la diferencia de que está comandada mediante una electroválvula 3/2 montada sobre la misma. Su función es similar a la explicada en la anterior ocasión con la particularidad de que, mediante la activación de la electroválvula adicional 3/2 conseguimos descargar el pistón principal de la válvula limitadora, comunicando sin ningún efecto de laminación, el canal de presión con el canal de retorno al tanque. Es imprescindible de la misma manera emplear un tamaño de válvula limitadora acorde al caudal máximo generado por la bomba principal. Con este nuevo método evitamos el calentamiento del aceite en el tanque principal. Simplemente debemos excitar la bobina de la electroválvula 3/2 cuando nuestro sistema se encuentre inactivo y viceversa. Observese que igualmente hemos introducido como novedad la regulación de velocidad tanto en la salida como en la entrada del cilindro hidráulico mediante el uso de dos válvulas reguladoras de caudal con antiretorno (regulan caudal en un solo sentido), evidentemente lo hemos hecho por que es habitual el control de caudal en los consumidores finales. Otro tema importante a la hora de completar un sistema hidráulico es el tratamiento de filtrado del fluido hidráulico utilizado. En una entrada posterior trataré en exclusiva el tema del filtrado del aceite en una central hidráulica. En la imagen siguiente se ha añadido un conjunto de filtro en la impulsión de la bomba, puede instalarse igualmente en el retorno o en ambos. Se compone de dos unidades, una trabajando y otra en espera. Puede seleccionarse una u otra mediante una válvula de tres vías a la entrada del conjunto. En caso de filtro sucio podemos seleccionar la otra unidad y sustituir tranquilamente el cartucho de filtro colmatado en la anterior.

Central hidráulica con unidad de filtrado en la impulsión

Evidentemente estos ejemplos pueden llegar a ser extremadamente básicos. Podemos emplear otros métodos, por ejemplo, podemos emplear bombas volumétricas de paletas o pistones de caudal variable (remito al lector a echar un vistazo a mi entrada al respecto). Con ellas obtenemos una regulación muy precisa del caudal generado en la bomba hidráulica en función de la presión generada en el circuito y simplificamos la programación de la secuencia de funcionamiento. El la siguiente imagen se puede ver una configuración como la descrita anteriormente compuesta por bomba hidráulica de pistones axiales, válvula limitadora de presión máxima del circuito, válvula antiretorno a la salida de la bomba y conjunto doble de unidad de filtrado tanto en la impulsión (línea P1) como en el retorno (línea R).

Esquema de una central hidráulica empleando bomba de caudal variable

¿Y que soluciones puedo encontrar para controlar la temperatura de mi central hidráulica?. Esta pregunta más bien está enfocada desde un punto de vista de diseño funcional de una central. Dependiendo de la aplicación, del caudal, de la capacidad del tanque principal, etc. podremos encontrar que la temperatura de retorno del aceite hacia la central puede ser elevada (valores por encima de 70ºC) y que además, por la baja capacidad o volumen de la central, el aceite tendrá un tiempo de permanencia muy corto en la misma. Ante esta situación debemos tratar de bajar la temperatura del aceite durante la impulsión, a la salida de la bomba mediante los intercambiadores más adecuados (de láminas o tubulares) y usando un líquido refrigerante que normalmente será agua. En la siguiente imagen hemos añadido un intercambiador de calor a nuestra central, utiliza agua como elemento refrigerante y regula el caudal de agua hacia el intercambiador mediante una válvula termostática que controla la temperatura del aceite en la línea de impulsión.

Central hidráulica con intercambiador de refrigeración en la impulsión

Por otro lado puede darse el caso de encontrar la central hidráulica con un aceite que se encuentra a una temperatura baja (por debajo de 25ºC). Puede ser por ejemplo el caso de una puesta en marcha tras una parada de la instalación. El tipo de solución a adoptar en estos casos depende de la capacidad del tanque principal de nuestra central, no será lo mismo tratar de calentar un tanque con 80 l que uno de 18.000 l. Lo mas habitual es el uso de resistencias eléctricas insertadas en el depósito, de la capacidad térmica y potencia adecuadas. Esta solución, por sí sola puede ser aplicada en centrales de pequeño o medio volumen de capacidad. Acompañadas de otras soluciones como los dobles fondos, en donde existe una recirculación de agua caliente, o de sistemas de recirculación de aceite a través de intercambiadores de vapor, serán los medios que se utilicen en centrales de media y alta capacidad.

Hasta aquí estas pequeñas nociones básicas (en forma de ideas) que os mostrarán pequeñas soluciones a la hora de diseñar centrales hidráulicas. Es evidente que el tema es muy amplio, como he comentado anteriormente, podemos complicarlo todo lo que queramos. La hidráulica, junto con soluciones de automática industrial, pueden implementar infinitud de sistemas, equipos y máquinas para solventar problemas industriales. Iremos ampliando el diseño de centrales hidráulicas poco a poco. Como siempre, os animo a dejar vuestros comentarios o dudas al respecto. Gracias.

Un saludo.

mecantech@gmail.com
 
 
 
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  1. Chen
    13/04/2013 en 19:22

    Muy Buenoo ! excelente comienzo para aprender

  2. jorge
    28/08/2013 en 04:09

    exelente explicacion!!!

  3. Francisco
    13/09/2013 en 14:29

    gracias!! guardo la misma opinion que el resto

  4. 29/10/2013 en 04:19

    gracias, tu enseñanza abre un mundo de posibilidades e inquietudes para los que estamos en estos temas entretenidos, como si fueran bloques de playgo . Saludos desde Perú

    • 29/10/2013 en 17:06

      Gracias Carmen, vuestro interés me llena de satisfacción. Un saludo.

  5. Ricardo V.
    30/10/2013 en 20:41

    Primero que nada una felicitación por esta aportación, y muchas gracias! Es excelente encontrar a alguien que se de el tiempo de redactar ejemplos tan claros y como un muy buen punto de partida para seguir aprendiendo al respecto. Muchas veces en la escuela pasamos un semestre completo sin entender que leemos y luego nos topamos con personas como tu que se saben explicar de buena forma. Me agradaría que siguieras publicando este tipo de artículos, sobre todo respecto a que elementos incluir en el diseño de una unidad de potencia y si pudieras ayudarme a entender como dimensionarlos sería genial. De nueva cuenta muchas gracias.
    Saludos!

    • 30/10/2013 en 20:52

      Gracias a ti por tu comentario Ricardo. Un saludo

  6. vigtor
    07/12/2013 en 15:29

    Muy buen material, como dicen te lleva de la mano.

  7. Carlos R.
    23/01/2014 en 19:23

    Me pareció muy interesante el artículo. Tengo la siguiente duda: si tengo que mover un cilindro de determinado volumen con una central hidráulica ¿Cual sería el volumen recomendado para la central con el fin de evitar el calentamiento del aceite? ,expresado en términos del volumen del cilindro, por ejemplo 2 o 3 veces el volumen del cilindro.

    • 23/01/2014 en 21:22

      Hola Carlos, raramente suele emplearse ese criterio a la hora de dimensionar el volumen del depósito hidráulico. Para el dimensionado del volumen del tanque hay que tener en cuenta las características del fluido y del sistema en cuanto a si arrastra aire hacia depósito, contiene excesiva suciedad (entorno hostil), si está previsto que el fluido se caliente en exceso (debido a la existencia de limitadoras de presión), etc. Puede tomarse un volumen entre 5 y 8 veces el caudal de la bomba para asegurar que el fluido hidráulico permanece el tiempo necesario en el tanque para eliminar el posible aire, decantar depósitos extraños y poder enfriarse lo justo. Puede ocurrir, por ejemplo, que el diseñador prefiera añadir un sistema de refrigeración, recirculando el aceite a través de intercambiadores de agua o aire para limitar el volumen del tanque o un sistema de filtración extra por el mismo motivo. Si usas este criterio puedes finalmente “traducir” tu mismo el resultado obtenido en volúmenes del actuador o cilindro hidráulico que utilices. Espero haberte aclarado la duda. Un saludo.

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