Arrastre de aire: cómo sucede y cómo evitarlo

Una tendencia en la fabricación industrial es diseñar sistemas y componentes de una manera más compacta.

Los beneficios de las máquinas pequeñas son obvios: economía de materiales, menor consumo de energía y menos espacio en el piso. Pero una desventaja que a menudo se pasa por alto es la mayor probabilidad de que entre aire en los sistemas que contienen depósitos más pequeños.

Las burbujas de aire en el fluido de trabajo afectan en gran medida el rendimiento de los sistemas hidráulicos y pueden causar problemas importantes, como cambios en el módulo de volumen, cavitación y aireación, degradación de la lubricación, generación de ruido, aumento de la temperatura del aceite y degradación de la calidad del fluido. Cuando una burbuja en un fluido se comprime adiabáticamente a alta presión, la temperatura de la burbuja aumenta bruscamente y la temperatura del fluido circundante también aumenta. Por lo tanto, es importante eliminar las burbujas de aire en el fluido para mantener su calidad, el rendimiento del sistema y evitar posibles daños a los componentes.

Burbujas y Espuma

¿Qué es una burbuja?Es un término general que puede referirse a varios fenómenos que ocurren en la superficie de un gas suspendido en un fluido. Sin embargo, para uso técnico, los términos burbuja y espuma deben definirse estrictamente. En este contexto, las burbujas se refieren a pequeñas partículas de gas arrastradas y dispersadas en un fluido, Figura 1. En cambio, las espumas consisten en muchas bolsas de aire rodeadas por una membrana, que se crean cuando un fluido se mezcla rápidamente con el aire en una superficie libre. Esto sucede cuando las burbujas de aire en el fluido aumentan de tamaño y ascienden a la superficie del fluido, o cuando el fluido es expulsado al depósito.

Problemas con las burbujas

La espuma puede causar problemas cuando se desborda el depósito. En este caso, el problema se puede resolver fácilmente agregando éster o aceite de silicona al fluido como antiespumante, o dando servicio al equipo para eliminar la formación de espuma.

Las burbujas se pueden crear de varias maneras. Las siguientes son fuentes de entrada de aire que pueden crear burbujas de aire en el sistema hidráulico:

liberación de aire disuelto — Todos los fluidos hidráulicos contienen una cierta cantidad de aire disuelto, que se libera cuando la presión cae rápidamente. Esto puede suceder en válvulas y orificios, y donde el fluido regresa al depósito.

Introducción mecánica — Puede introducirse aire arrastrado en el sistema donde existe un vacío, como una fuga en la línea de succión de la bomba.

Sangrado inadecuado — Cuando se llene inicialmente, el sistema hidráulico contendrá varias formas de aire (libre, arrastrado y disuelto). Para un funcionamiento adecuado, el sistema debe ventilarse adecuadamente para eliminar el aire.

Adición incorrecta de líquido de maquillaje — Si se producen salpicaduras al agregar fluido, o si agregar fluido provoca una mayor agitación en el tanque, es posible que quede aire atrapado en el fluido.

Contaminación — Una fuente común de aumento de la incorporación de aire y la formación de espuma es la contaminación del fluido con compuestos de superficie activa. Alternativamente, el fluido puede estar contaminado de una manera que provoque la precipitación del agente antiespumante o de liberación de aire, lo que resultará en un aumento significativo en la incorporación de aire.

Depósito mal diseñado — Las dimensiones generales deberían contener un volumen suficiente de aceite para permitir que escapen las burbujas de aire y la espuma durante la residencia del fluido en el tanque. La profundidad debe ser suficiente para garantizar que el nivel del líquido no caiga por debajo de la entrada de la bomba durante la demanda máxima de la bomba. La bomba debe instalarse debajo del tanque para que se mantenga una presión positiva en todo momento. Esto es más crítico cuando se usan fluidos hidráulicos a base de agua, ya que estos fluidos tienen una gravedad específica más alta y una presión de vapor más alta que los fluidos a base de aceite mineral.

Se debe proporcionar un deflector para evitar el flujo de fluido desde la línea de retorno hasta la entrada de la bomba. Se debe proporcionar una cubierta de filtro de ventilación para permitir la entrada de aire limpio y mantener la presión atmosférica a medida que el fluido se bombea hacia adentro y hacia afuera del depósito. Para fluidos hidráulicos a base de agua, se recomienda un tanque presurizado para compensar la caída de presión en la entrada de la bomba debido a la presión de vapor del fluido.

Las propias burbujas suelen surgir en los siguientes lugares o bajo las siguientes condiciones dentro del sistema:
● Donde hay una caída de presión,
● En orificios u orificios,
● En ramales o uniones de tuberías,
● de válvulas que se abren y cierran rápidamente,
● por ondas de choque, debido al cierre repentino de la válvula o la parada de la bomba, y
● Por la apertura brusca de la válvula por la caída de presión al final de la tubería.

Las burbujas de aire arrastradas en el fluido pueden crear una serie de problemas en los sistemas hidráulicos, como:
● Acelera la degradación oxidativa del aceite,
● reducir la lubricidad causada por la emulsión de aire,
● reducir la conductividad térmica,
● Cavitación,
● mayores emisiones de ruido,
● mayor compresión y reducción dinámica, y
● Reducción de la eficiencia de salida de la bomba.

Tabla de Contenidos

mango de espuma

Las espumas son dispersiones de gas atrapado en un líquido en el que las burbujas de aire forman capas separadas en la superficie del fluido, separadas por una película de fluido relativamente delgada. La estabilidad de la espuma en los sistemas hidráulicos puede variar, Figuras 2 y 3, según el área superficial, la tensión superficial, la viscosidad y la concentración de contaminantes.

En ausencia de antiespumantes, todas las espumas terminan siendo espumas estables de gran superficie. Sin embargo, si la espuma continúa creciendo, desplazando la fase líquida, puede llegar a la entrada de la bomba y causar cavitación.

La única forma de romper esta espuma de gran superficie es introducir un antiespumante (es decir, silicona) en la película superficial de la espuma estabilizada, Figura 4(A). El antiespumante luego se difunde sobre toda la superficie de la película, rodeando las bolsas de aire, Figura 4(B). A medida que el antiespumante se difunde, las fuerzas de cizallamiento hacen que la película estable fluya fuera de la interfaz de la burbuja, lo que provoca un adelgazamiento de la película interfacial, Figura 4(C). Esto continuó hasta que estalló la burbuja, lo que eventualmente resultó en la liberación del gas contenido en la burbuja, Figura 4(D).

La composición de los antiespumantes varía desde sistemas de un componente hasta sistemas de múltiples componentes. Los sistemas de un componente generalmente son insolubles en agua y tensoactivos porque deben desplazar el tensioactivo preespumado en la película interfacial para estabilizar las burbujas. Los ejemplos de sistemas de un componente incluyen: ácidos grasos y sus glicéridos o etoxilados y polipropilenglicoles. Típicamente, tales antiespumantes se usan en concentraciones de 0,1 a 0,4%.

Los sistemas antiespumantes multicomponentes normalmente comprenden una dispersión de materiales a base de aceite mineral, sílice hidrofóbica y tensioactivos (p. ej., composiciones de etoxilato de alcohol o ácido graso) en fluidos en todo el sistema hidráulico.

antiespumante?

Una eliminador de burbujas es un dispositivo tubular cónico con una cámara de sección transversal circular que se vuelve más pequeña (en relación con su longitud) y conectada a una cámara cilíndrica. El fluido con burbujas fluye tangencialmente desde el puerto de entrada hacia el extremo más grande del tubo cónico y forma un vórtice que hace circular el fluido a través del canal de flujo. El flujo arremolinado se acelera aguas abajo y la presión del fluido a lo largo del eje central disminuye aguas abajo. Desde el extremo del tubo cónico, el flujo giratorio se desacelera aguas abajo y la presión aumenta hacia la salida. Las burbujas de aire quedan atrapadas cerca del eje central y se acumulan cerca del área donde la presión es más baja. Cuando se aplica contrapresión a través de una válvula de retención o un orificio ubicado en el lado aguas abajo del eliminador de burbujas, las burbujas de aire se expulsan a través de la ventilación.

El uso de un dispositivo de este tipo proporciona a los diseñadores hidráulicos los siguientes beneficios:
● Tanque de combustible de menor peso, menos espacio y menor costo
● Degradación más lenta del fluido, prolongando la vida útil del fluido
● Evitar la cavitación y el ruido de la bomba
● Requiere menos depósitos de fluidos, lo que reduce los costos y mejora la seguridad
● Menor tiempo de calentamiento en climas fríos
● Compresibilidad de fluidos reducida
● control de la contaminación más fácil, y
● La configuración del depósito es más sencilla sin deflectores.

George E. Totten es científico investigador senior, Roland J. Bishop, Jr. es científico de proyecto en UCON Fluids and Lubricants, The Dow Chemical Company, Tarrytown, NY Ryushi Suzuki es presidente de Opus System, Inc. en Tokio. Yutaka Tanaka es profesor de ingeniería en la Universidad Hosei de Tokio. Para obtener una discusión más detallada, consulte el documento técnico de SAE, 9 82037 – Eliminación de burbujas de aire en aceites para sistemas de energía fluida, por Suzuki/Tanaka/Arai/Yokata;y 972789 – Fluidos hidráulicos: formación de espuma, arrastre de aire y liberación de aire – Revisión de Totten/Sun/Bishop. Llame al 412/776-4841 o visite SAE para ordenar www.sae.org .

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