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Cuaderno de Hidráulica: Regulación de la potencia de los sistemas hidráulicos impulsados por bombas volumétricas

Como continuación a la serie de entradas meramente divulgativas sobre temas hidráulicos, en esta ocasión os quiero mostrar la filosofía o tendencia que últimamente existe a la hora de diseñar circuitos hidráulicos cuyos elementos generadores de la energía hidráulica son las bombas volumétricas o de desplazamiento positivo. Existen varias posibilidades a la hora de elegir un determinado tipo de regulación, nos podemos encontrar con bombas volumétricas de varios tipos, de caudal variable o fijo, regulación interna o externa, etc. Es conveniente conocer mínimamente estas posibilidades para poder actuar en consecuencia cuando nos encontremos ante estos circuitos tratando de resolver algún problema.

Una bomba volumétrica es aquella en la que interiormente existe una cámara mecánicamente estanca. En dicha cámara se transporta fluido desde el lado de entrada de la bomba (aspiración) hacia el lado de salida (lado de presión). No existe una conexión directa entre ambas conexiones de la bomba, por tanto, las bombas de desplazamiento positivo o volumétricas son muy adecuadas para elevadas presiones e ideales para los sistemas hidráulicos. Pertenecen, por ejemplo, a esta categoría las bombas de engranaje (dentado exterior o interior), las bombas de husillo, de paletas, de pistones (radiales o axiales), etc.

En todas las posibles aplicaciones de las bombas volumétricas se da la circunstancia de que la potencia exigida por el sistema es el producto de la presión por el caudal:

CodeCogsEqn1

Este producto es variable a lo largo del proceso secuencial, dependerá de las características físicas y las exigencias del sistema. Por otro lado, la potencia suministrada por la bomba vendrá dada por el producto del caudal suministrado por la misma por la presión que éste genere en el circuito hidráulico y será:

CodeCogsEqn2

Si lo que queremos es obtener un rendimiento óptimo debemos de tratar que ambas potencias sean iguales, es decir, que:

CodeCogsEqn3

Pero esta circunstancia no siempre se cumple. Para lograr esta coincidencia entre ambas, puesto que las potencias son el producto de una presión por un caudal, habrá que ajustar las presiones de tal modo que CodeCogsEqn4 tienda a tener el valor de CodeCogsEqn5, igualmente ocurre con los caudales, ya que el valor de CodeCogsEqn6 también tiende a tener el valor de CodeCogsEqn7, lo cual se traduce en la necesidad de regular una y otra magnitud. Para poder conseguir esta regulación disponemos de dos procedimientos distintos para acomodar los valores del caudal y de la presión a las necesidades impuestas, estos son: a) Regulación eléctrica de dichas magnitudes. b) Regulación hidráulica. El primero de los procedimientos descritos consiste en la medición eléctrica de las magnitudes que intervienen, es decir del caudal y de la presión, comparando los valores de entrada y de respuesta en un regulador eléctrico y actuando directamente sobre la bomba mediante una válvula proporcional. En el segundo, se utilizan preferentemente válvulas de regulación de caudal (VRQ) y de presión (VLP), antes de actuar sobre la bomba. De estos dos procedimientos , el primero es el que se está imponiendo en la actualidad por sus ventajas de exactitud y rapidez, lo que se traduce en obtener un tiempo de respuesta breve, aunque esta rapidez puede llegar a ser contraproducente al tener lugar el fenómeno de la cavitación que, como ya sabemos, puede ser muy destructivo. Por el contrario, la regulación hidráulica es en principio mas barata, siendo su exactitud y velocidad de respuesta suficiente en una gran mayoría de los casos.

Para conseguir la potencia apropiada existen tres posibles maneras de regulación que se deducen de lo anteriormente descrito. La primera de ellas consiste en la regulación de la presión, manteniendola en todo momento constante. La segunda consiste en la regulación del caudal, es decir, en operar el sistema hidráulico manteniendo un caudal constante. La tercera posibilidad consiste en la regulación de la potencia, superponiendo para ello una regulación de caudal con una regulación de presión. A continuación veremos cada una de estas posibilidades, describiendo en cada caso cómo tiene lugar la regulación.

Empleando la regulación de presión conseguimos ajustar el caudal al consumo de los elementos receptores, al tiempo que se mantiene la presión a los valores preestablecidos en el circuito. De esta manera, cuando se trabaja a la presión máxima se anula el caudal y se mantiene la presión. Recuérdese que, de momento, estamos empleando una bomba volumétrica de caudal constante, es decir, regulamos caudal y presión mediante válvulas exteriores a la bomba. En la siguiente imagen puede verse un circuito hidráulico basado en esta idea.

Sistema basado en la regulación de presión

Este tipo de regulación es el más utilizado cuando se tienen varios consumidores con una única alimentación, al ser el más adecuado de todos. Sus principales campos de aplicación suelen ser el de las máquinas-herramientas y las prensas de inyección de plástico. El inconveniente más destacado de este tipo de regulación es que se consiguen rendimientos muy bajos. En efecto, si en un sistema hidráulico se desea regular la presión y el caudal mediante válvulas, y se da la circunstancia de que la bomba es de caudal constante y el motor de velocidad constante, al modificar los valores de presión y caudal que suministra la bomba ( CodeCogsEqn5 y CodeCogsEqn7 ) con objeto de adaptarlo a los exigidos por el sistema ( CodeCogsEqn4 y  CodeCogsEqn6 ) se produce una perdida de potencia CodeCogsEqn8, tal como se puede comprobar en la gráfica siguiente.

Regulación mediante ajuste de la presión a valor constante

Esta pérdida de potencia útil puede llegar a ser enorme. Su valor se puede calcular fácilmente mediante la expresión:

CodeCogsEqn9

En cuanto a la regulación basada en mantener un caudal constante, cabe comentar que la dificultad surgida ante la necesidad de regular la presión, es decir, la pérdida de potencia útil que aparece cuando se trata de mantener la presión constante mediante válvulas, persiste cuando mantenemos el caudal constante. Este segundo método de regulación se emplea en la industria cuando se desea mantener la misma velocidad de funcionamiento de los elementos de consumo, independientemente del par resistente. Este puede ser el caso de equipos como mezcladoras, agitadores, etc. En el siguiente esquema puede apreciarse un sistema empleando una válvula reguladora de caudal con compensación de la presión cuya misión es la de garantizar en todo momento una diferencia de presión constante.

Sistema hidráulico con regulador de caudal VRQ

En este caso VRQ regula el caudal derivando una fracción de caudal Qv hacia el tanque a través de VLP, al mismo tiempo la diferencia de presión entre el valor de presión producida por la bomba y la del sistema (Pb – Pm) es realmente una pérdida efectiva. Todo esto hace que el rendimiento del sistema sea muy bajo. Este rendimiento tendrá el valor:

CodeCogsEqn10

Naturalmente este sistema mostrado en la figura anterior puede mejorarse muchísimo si se sustituye la bomba de caudal constante por otra de las mismas características pero de caudal variable y regulada por presión tal y como se muestra en el siguiente esquema.

Uso de una bomba de caudal variable

La posibilidad de actuar sobre el caudal de la bomba permite adaptar perfectamente el caudal de modo que no se produzca el despilfarro de aceite a presión Qv que se producía en el caso anteriormente descrito y, por lo tanto, se obtiene que Q_m = Q_b. Sin embargo, como los valores de las presiones son diferentes concretamente P_m< P_b, existirá una pérdida de presión que valdrá precisamente su diferencia P_b-P_m y que dará por tanto una pérdida de potencia Nv cuyo valor será:

CodeCogsEqn11

Sin embargo esta pérdida de potencia Nv será inferior a la obtenida para el primero de los casos. Si se quiere mejorar aún más el sistema, lo que debemos hacer es modificarlo suprimiendo la válvula reguladora de caudal VRQ, quedando el conjunto como se muestra en la siguiente figura.

Sistema con bomba de caudal variable y regulación de presión

En esta situación no existe pérdida de potencia Nv, sin embargo, la presión Pb está regulada de manera que se mantiene constante aunque se modifique el caudal, siendo Q_b=Q_m. En consecuencia, si Pm variara a lo largo del proceso o secuencia de nuestro sistema hidráulico deberá actuarse sobre la válvula limitadora de presión. Es en este caso cuando se hace interesante el empleo de una válvula limitadora de presión proporcional que nos permitirá implementar en nuestro sistema una curva de presión que se adapte a las necesidades del mismo.

Así llegamos al método de regulación de potencia electrohidráulica de presión y caudal consistente esencialmente en una regulación eléctrica de presión actuando sobre una válvula proporcional de presión. Las excelentes cualidades de este tipo de regulación parecen conducir inevitablemente a la idea definitiva de que este será el tipo exclusivo de regulación en un futuro próximo, puesto que se aprovecha al máximo la capacidad del motor de accionamiento en aquellas instalaciones en las que las altas presiones tienen lugar a bajo caudal, y viceversa. Ahora bien, en muchas situaciones todavía será muy rentable la primitiva regulación mediante bombas de cilindrada constante y válvulas, o la versión mejorada que utiliza bombas de caudal variable y elementos hidraulico-mecánicos.

Los objetivos principales de los fabricantes de bombas de cilindrada variable son aumentar la potencia másica, mejorar los rendimientos e incrementar su vida útil. Además de incorporar mejores y más completos sistemas de mando y regulación. Igualmente, muchos de los esfuerzos van encaminados hacia los sistemas de mando de las bombas con ayuda de los microprocesadores, donde el conjunto del sistema hidráulico es gobernado por un sistema electrónico que ajusta permanentemente el caudal y la presión de la bomba, controlada ésta por una válvula proporcional. El ajuste es muy preciso y los tiempos de respuesta muy cortos. El principal inconveniente de este tipo de mando es que todavía es muy caro y se utiliza básicamente en bancos de prueba hidráulicos. Otro tema de investigación muy interesante consiste en la reducción del nivel sonoro de estas bombas durante su funcionamiento.

Es todo, espero que os haya resultado interesante. Animo al lector a seguir investigando sobre el tema por su cuenta. Es un tema apasionante que está bien que conozca toda persona que trate con sistemas hidráulicos, complejos o no. Gracias.

Un saludo

mecantech@gmail.com
 
 
 
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  1. daniel jimenez
    12/10/2014 a las 03:08

    Por si sabe alguien de como ajustar precionde new holand lb115

  2. daniel jimenez
    12/10/2014 a las 03:09

    QUE TEMA TAN BUENO

    • 13/10/2014 a las 18:22

      Hola Daniel, gracias por el comentario. Un saludo.

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