Evaluación del estado del sistema hidráulico mediante instrumentos portátiles de detección de calor

Medir la temperatura de varios conductos, tuberías o componentes permite detectar la presencia de fugas internas. Esto se debe a que un aumento en la temperatura de la superficie generalmente está directamente relacionado con la pérdida de energía. La siguiente discusión describe un método para determinar las tasas de fugas internas y externas midiendo la temperatura de la superficie de los componentes.

Explorar ejemplos

Los asientos de válvula en las acerías se pueden instalar a 100 pies o más del cilindro. Por lo general, se utiliza una velocidad de 10 pies/s al seleccionar la tubería, la manguera o la tubería de diámetro apropiado para el caudal esperado. Esta baja velocidad mantiene razonable la caída de presión de la operación de la tubería, incluso de los accesorios de interconexión.

En los ejemplos a continuación, se asumen 6 pulgadas. Los cilindros perforados mantienen la carga en su lugar con una presión del sistema de 2250 psi. En condiciones normales, se aplica presión al extremo de la culata para sostener la carga. No debe haber flujo.

Según el diámetro interno de la tubería, la longitud de la tubería y el tiempo entre carreras del cilindro, la cabeza del cilindro y las tuberías del extremo de la barra deben alcanzar una temperatura cercana a la ambiente. En muchos casos, el volumen de fluido contenido en la línea desde la válvula de control direccional hasta el cilindro es mayor que el que se usa para un cilindro de carrera completa. En este caso, si no se produce una fuga interna, la temperatura del fluido en el cilindro solo puede aumentar cuando la válvula se mueve para extender o retraer el vástago del pistón.

Sin embargo, si el cilindro se extiende 12 pulgadas en 2 segundos, la tasa de flujo de la tapa final requerida será de 44 gpm. Si el cilindro tiene 4 pulgadas.varilla, el flujo requerido para la misma velocidad de retorno es de 24 gpm. Si planea 80 1¼ pulgadas. Cuando se utilizan tuberías, la velocidad máxima es de unos 11 pies por segundo.

Es una práctica común conectar dos líneas de cilindros con tuberías o tuberías del mismo tamaño. Hacerlo da como resultado una tasa de flujo de extremo de varilla de 6,12 pies/seg. El volumen real de intercambio de fluido es de 339 pulgadas.3en el extremo de la culata y 188 pulgadas.3en el extremo de la varilla. Porque 1¼ pulgadas. El diámetro interior de la tubería es de 1,278 pulgadas y cada pie de tubería contiene 15,39 pulgadas.3de fluidoEsto significa que elevar la temperatura del fluido en el cilindro requerirá longitudes de tubería de menos de 22 pies en el extremo de la tapa y menos de 12 pies en el extremo de la varilla.

generación y transmisión de calor

El método principal para introducir calor en los componentes y las tuberías es usar la pérdida de potencia de un flujo de referencia como dispositivo de transferencia de calor. Si se usó una distancia de tubería de 50 pies en el ejemplo anterior y la válvula se movió una vez por minuto, el gradiente de temperatura con respecto al flujo podría parecerse a la Figura 1.

A cierta distancia de la válvula direccional, la tubería o tubo se calienta por la carrera del cilindro y luego se enfría durante la carrera inversa del cilindro. La transferencia de calor a través de los dos tubos está directamente relacionada con la temperatura ambiente, el diámetro de los tubos y la temperatura dentro del fluido (a una distancia específica de la válvula direccional). La cantidad de pérdida de calor a través de una tubería sin aislamiento se puede calcular a partir de la siguiente aproximación:

largocaliente= A × K × ΔT,

donde Lcaliente= pérdida de calor — btu/(hr × pies)
A = Área de superficie de tubería o tubo – pies2/pie,
ΔT = diferencia de temperatura entre el fluido y el ambiente — °F
K= 2,15 btu/(hora×pie2×°F) ΔT a 100°F
K= 2,66 btu/(hora×pie2×°F) ΔT de 100° a 200°F

Para facilitar la discusión, suponga que la tabla de clasificación enumera 1 pie y 1¼ pulgadas de pérdida de calor. La tubería Schedule 80 con una temperatura interna del fluido de 140 °F y una temperatura ambiente de 60 °F es de 74,8 btu/(hr x ft). Si el circuito que se acaba de mencionar se mantiene en un estado fijo, por ejemplo, si se mantiene una carga durante mucho tiempo, entonces puede aparecer un gradiente de temperatura relativo al flujo cero, como se muestra en la Figura 2.

Este ejemplo muestra que se puede establecer un punto de temperatura de transición en la tubería hacia y desde el cilindro que define el comportamiento natural del tiempo de ciclo de referencia del cilindro y las condiciones de flujo cero, cero fugas. Bajo cambios normales de temperatura ambiente, este punto no debe variar en más de 2 pies. Cualquier variación fuera de esta tolerancia indica una fuga.

Más información sobre fugas

En el siguiente ejemplo, se produce una fuga interna en un cilindro utilizado para mantener la carga en su lugar con una presión del sistema de 2250 psi. La figura 2 muestra el cilindro en espera, bajo presión, sin fugas. Sin embargo, si el fluido del cilindro se filtra a través del sello del pistón, el flujo de fluido hará que el calor migre hacia el punto de fuga, Figura 3. Este calor es generado por el fluido a alta presión que fluye a través del orificio (a través de la vía de fuga del sello del pistón) hacia el lado de baja presión del pistón sin realizar ningún trabajo. El calor detectado a más de 2 pies del punto caliente establecido en la Figura 2 indica que se está produciendo un flujo de fluido. La fuga interna del cilindro actúa como vehículo para este flujo.

Cualquier fuga interna de fluido presurizado generará calor ya que la energía del fluido que no se transfiere como energía mecánica se convertirá en calor. Las fugas internas transfieren la energía perdida directamente al flujo de fluido aguas abajo, lo que aumenta la temperatura del fluido aguas abajo. El resultado es que la temperatura que sale del cilindro excede la temperatura del fluido que entra.

Debido a fugas externas, el calor transfiere la energía perdida directamente al ambiente externo. Pero algo de calor se transfiere a la tubería que causa la fuga, Figura 4. Dependiendo de la magnitud del flujo de fuga, la temperatura de la superficie exterior de la tubería aumentará a medida que se acerque al punto de fuga. Sin embargo, en algún momento después de la fuga, aproximadamente 1 pie en la Figura 4, la temperatura volverá a la temperatura ambiente porque el flujo es (o debería ser) estático.

Asimismo, el flujo de fluidos es el vehículo principal para la transferencia de calor a las superficies y recintos de las tuberías. Además, la caída de presión a lo largo de la vía de fuga u orificio puede aumentar la temperatura del fluido aguas abajo al convertir la energía no utilizada en calor. A partir de estos dos hechos, podemos aproximar el flujo de fluido real en términos de la diferencia de temperatura sobre la caída de presión.

Cuantificar fugas

Idealmente, la temperatura medida a través de los cilindros debería ser estática en relación con el flujo. Pero en realidad, hay una diferencia de temperatura. Por ejemplo, en la Figura 4, se supone que la temperatura del puerto de presión se mide a 141 °F y el puerto del tanque a 151 °F. Esto muestra claramente un aumento de temperatura de 10 °F.

Usando ΔT en °F y la presión diferencial (ΔP) en psi, se puede estimar el flujo a través del orificio (ruta de fuga). De acuerdo con la conocida ecuación de potencia hidráulica, a 2250 psi, un flujo de 0,7623 gpm producirá 1 hp o 2546 btu/hr. Usando conversiones estándar, podemos calcular que 1 gpm de agua equivale a 8.345 lb/min o 500.7 lb/hr. Además, si definimos la gravedad específica del aceite hidráulico en 0,90 y el calor específico en 0,45, podemos calcular el poder calorífico:

btu/h = m × c × ΔT.

Sustituye los valores conocidos y resuelve para ΔT:

ΔT = 15,9°F.

Usando 15.9 °F como pendiente, cualquier cambio en ΔT puede relacionarse directamente con el cambio en el flujo basado en la caída de presión establecida. Entonces, para aproximar el volumen de fluido que se escapa internamente a 2250 psi:

1. Defina el flujo requerido para producir 1 hp a través del orificio a una caída de presión específica.

2. Usando el valor de flujo en gpm definido en el Paso 1, encuentre la diferencia de temperatura en °F en la entrada de 2,546 btu/hr (1 hp).

3. Mida la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del cilindro. Utilice la medición real ΔT en °F para variar la potencia de entrada en función de 15,9 °F a 1 hp que equivale a 2250 psi.

4. Vuelva a calcular el nuevo flujo con referencia al nuevo valor de caballos de fuerza.

La transferencia de calor discutida hasta ahora es un valor constante asociado con el flujo a través de dos puntos. Esto no tiene en cuenta la transferencia de calor a través de las tuberías y los componentes del sistema. Tampoco tiene en cuenta la transferencia de calor a través de las paredes del tanque o los intercambiadores de calor. Básicamente define dos puntos de ajuste de temperatura cerca de fugas internas o externas. Al establecer dos puntos de temperatura en un cilindro o en una línea recta, se puede encontrar una diferencia de temperatura constante entre la admisión y el escape. Usando esta diferencia, puede calcular fugas internas o externas.

La detección de calor identifica fugas

El seguimiento activo del calor a través del sistema requiere comprender cómo funcionan las válvulas en el circuito y cuántas veces funcionan por unidad de tiempo. La solución de problemas con una pistola de calor infrarroja se enfoca en encontrar fugas internas o externas en los componentes o, en algunos casos, válvulas de control de presión incorrectamente colocadas o defectuosas.

La detección térmica de fugas internas puede revelar el desgaste de los sellos antes de que sea excesivo. Esto permite reemplazar los sellos durante el mantenimiento programado normal, en lugar de esperar a que la fuga se vuelva lo suficientemente grave como para ralentizar la producción y justificar la interrupción de la producción para el reemplazo. El calor de las fugas externas, incluso si son relativamente inaccesibles, puede revelar la ubicación y la gravedad de los problemas, como conexiones flojas o desalineadas, antes de que causen una pérdida excesiva de fluidos.

Identificar una fuga interna en una válvula de dos posiciones utilizando técnicas tradicionales de solución de problemas requiere mucho trabajo. Debido a que la válvula guía el cilindro hasta el final de su carrera y lo mantiene allí con un flujo constante de fluido presurizado, la transferencia de calor en las líneas del cilindro puede detectar rápidamente fugas internas o externas y permitir reparaciones regulares de mantenimiento.

En una válvula de tres posiciones, el calor solo mostrará una fuga cuando el cilindro se esté moviendo. La desviación del cilindro con la válvula en neutral define una fuga en el cilindro o en la válvula de control. La válvula de carrete debe tener algún grado de fuga, ya que esta fuga proporciona lubricación para evitar la operación de deslizamiento (pegado) de la válvula de carrete. A menudo, las válvulas de retención operadas por piloto se usan en combinación con una válvula de tres posiciones para sostener la carga de manera más agresiva. Una válvula de retención operada por piloto cambia el estado central de la válvula a P bloqueado, con los puertos A y B conectados al tanque. Cualquier fuga del puerto P irá directamente al tanque, lo que provocará un aumento del calor en la válvula de control direccional y en las líneas del tanque.

El número de ciclos funcionales por unidad de tiempo determina qué tan lejos se transfiere el calor desde la válvula de control direccional a la tubería al cilindro. Las funciones del sistema se pueden definir como funcionamiento continuo, funcionamiento intermitente y estático, en referencia al ciclo de un producto en funcionamiento.

fiebre normal

Dado que todos los sistemas hidráulicos generan calor, es esencial tener una comprensión completa de cómo debe funcionar el sistema. Por lo tanto, saber cuánto calor debe producir el sistema puede determinar cuándo hay demasiado calor y se produce una fuga. Una gran cantidad de electricidad desperdiciada está diseñada con muchos sistemas que utilizan intercambiadores de calor para eliminar el exceso de calor.

Esta energía desperdiciada es causada por componentes, fugas internas en la válvula de alivio, flujo de derivación a alta presión y fricción del movimiento normal para mover la carga. La mayoría de las bombas y válvulas de control direccional de tipo carrete funcionan con holguras de metal a metal y dependen de algunas fugas para formar una película lubricante.

La fuga desde la plataforma dentro de la válvula de control direccional es generalmente baja, generalmente medida en gotitas o gotitas.3/min por tierra o por válvula. Este calor de las fugas normales generalmente no debe viajar a más de 2 pies del componente. Por eso es importante analizar periódicamente el calor del sistema, especialmente cuando el sistema es nuevo o se ha refabricado recientemente. El almacenamiento de datos de perfil térmico para el nuevo sistema establece una línea de base que se puede utilizar para comparar en estudios de seguimiento.

Pérdida de potencia en control de bucle cerrado

Las pérdidas de calor más grandes diseñadas en un sistema pueden provenir del uso de tubos de chorro o boquillas de charnela, servoválvulas y válvulas proporcionales en aplicaciones de control de presión y movimiento de circuito cerrado. Estas válvulas requieren un flujo constante en su sección piloto, lo que está directamente relacionado con la pérdida de potencia constante. Esencialmente, las válvulas requieren una fuente de presión constante para que puedan responder rápidamente a las cambiantes demandas de carga. Debe haber energía potencial para mover la carga de cero a la velocidad máxima con la aceleración máxima especificada. El problema es que durante los períodos en que la demanda de carga está por debajo del flujo total, no se utiliza el exceso de energía potencial, que puede ser enorme. Esta energía no utilizada genera calor.

La fuente de calor principal generalmente se genera cuando la presión del sistema aumenta por encima de la presión requerida por la carga. Sin embargo, el uso de una válvula de alivio de presión o una válvula de alivio de presión y una válvula de alivio de presión en el circuito teóricamente no genera calor significativo durante el modo de operación de flujo estático. Una cantidad significativa de energía se pierde solo en condiciones de flujo de fluido y está directamente relacionada con la caída de presión establecida de la válvula.

Pérdida de potencia de las válvulas de control de caudal

Los tres circuitos principales utilizados para controlar la velocidad de un cilindro u otro tipo de actuador son: entrada de medición, salida de medición y derivación. Estos tres métodos restringen el flujo, lo que crea una caída de presión que desperdicia electricidad y genera calor. Las distribuciones de calor en la entrada y salida se muestran en las Figuras 6 y 7.

El control de entrada provoca una caída de presión entre la presión del sistema y la presión de carga del cilindro en movimiento, lo que genera calor aguas abajo de la válvula de control de flujo. Por otro lado, el circuito de estrangulamiento genera calor que, a través del control de flujo, fluye hacia la válvula de control direccional y finalmente hacia el tanque.

Con un circuito de estrangulamiento, a medida que disminuye la carga del cilindro, la pérdida de potencia se acercará a la potencia consumida. Aunque la pérdida de energía es grande, la generación de calor es relativamente baja ya que no es una condición de corriente constante. Sin embargo, la pérdida de energía aumenta la temperatura de la superficie de la tubería aguas abajo de la válvula de control de flujo. La cantidad de aumento de temperatura estará directamente relacionada con el número de operaciones funcionales por unidad de tiempo y la diferencia entre el fluido en la tubería y el medio ambiente.

pérdida de potencia de la bomba

La fuga interna en una bomba de pistón de presión compensada está directamente relacionada con la fuga del pistón y del control a la presión del sistema. La potencia mecánica e hidráulica perdida se convierte en calor y se devuelve al tanque a través de la descarga de la carcasa de la bomba. Dependiendo de la presión de compensación, la generación de calor puede aumentar significativamente la temperatura de la carcasa de la bomba.

Por ejemplo, a una presión del sistema de 2250 psi, una bomba de pistón compensada de presión grande con una fuga interna de 0,5 gpm experimentará un aumento de temperatura de 9° o 10° F. La temperatura será más alta para tener en cuenta las pérdidas mecánicas y la compresión del fluido. La misma bomba funcionando a 4500 psi vería un aumento de temperatura de 42 °F.

Las fugas aumentan naturalmente a medida que la bomba se desgasta. Si la fuga en la misma bomba aumenta a 1 gpm, el aumento de temperatura resultante superará los 20 °F a 2250 psi y los 80 °F a 4500 psi. Ambos números se pueden calcular sustituyendo los valores apropiados en las fórmulas que aparecen a continuación y en la página 50.

Pérdida de potencia de la válvula de control de presión

La válvula de alivio en el circuito de compensación de presión de la bomba es un dispositivo estático que no deja pasar ningún flujo que no sea una fuga mínima del carrete. Sin embargo, las válvulas responden a presiones más altas que pueden ser cercanas o iguales a su presión de apertura o de estallido. Es extremadamente importante ajustar la presión de apertura de la válvula de alivio al menos entre un 10 % y un 15 % más que la presión del sistema. La razón principal es que cualquier válvula de seguridad, dependiendo de su fabricante, tiene una presión total de restablecimiento sin derivación, que es un porcentaje de la presión de apertura.

Si la bomba de presión compensada se establece en 2250 psi, el alivio del sistema debe establecerse en al menos 2600 psi. Si la válvula tiene un valor de restablecimiento del 10 % o una presión de apertura del 90 %, la válvula se abrirá a 2600 psi y se cerrará por completo a 2340 psi cuando la presión caiga. Las válvulas pueden generar mucho calor si no se ajustan correctamente. Las válvulas de alivio de escape normalmente se desenergizan solo cuando funcionan en su modo de escape. En este caso, la pérdida de potencia está directamente relacionada con el flujo piloto relativamente pequeño a través de la parte de escape de la válvula.

El uso de una válvula reductora de presión en combinación con una válvula reductora de presión también puede provocar una pérdida significativa de energía si la válvula reductora de presión no está configurada correctamente. Si es posible, se debe utilizar una válvula reductora de presión. Los técnicos deben tener mucho cuidado al cambiar la configuración de la válvula de alivio de presión. La válvula de alivio siempre debe ajustarse a un valor un 15 % más alto que la válvula de alivio. Los ajustes incorrectos pueden hacer perder mucha energía y, por lo tanto, generar mucho calor.

Ubicación del punto de prueba caliente

Hay muchas formas de medir la temperatura superficial de tuberías, tuberías y otros componentes, pero la más conveniente es con un termómetro. Las pistolas de calor son bastante precisas si siempre se refiere a la distancia al objeto que se mide. Al tomar medidas, asegúrese de colocar la pistola a una distancia y un ángulo constantes con respecto al área objetivo.

Supongamos que el objetivo es un colector de válvulas. Tendrá al menos una tubería de entrada, tubería o manguera (línea de presión), una tubería de retorno y, generalmente, un desagüe. Seleccione un punto de prueba térmica en cada línea a aproximadamente 2 pies del colector y marque las líneas de entrada, drenaje y tanque con pintura para establecer tres puntos de prueba.

Verifique el calor (flujo) en el punto de prueba de drenaje, que será una indicación de una fuga interna en la sección piloto de la válvula direccional. Los puntos de prueba de entrada y tanque indicarán el flujo de fugas internas y externas en todo el conjunto del colector y todas las funciones combinadas.

A continuación, elija un punto de prueba caliente a unos dos pies del colector y marque las dos líneas que conducen al actuador con líneas de pintura para establecer dos puntos de prueba para cada función: dos para la línea A y dos para la línea B. Seleccione un punto de prueba térmica en cada línea lo más cerca posible del actuador y marque una línea de pintura en las líneas de los puertos A y B. Asegúrese de que el punto de prueba solo sea indicativo de la temperatura de la tubería o del conducto y no de la radiación térmica de una fuente de calor cercana. Una gran diferencia de temperatura entre estos dos puntos puede ser un posible indicio de fuga interna o externa.

Se establecerán dos puntos de prueba adicionales;Uno en la línea de descarga de la bomba y otro en la línea principal de retorno de cada unidad de potencia. Estos dos puntos monitorearán el calor que ingresa al marco de la válvula del sistema y el calor que sale del marco de la válvula del sistema. La temperatura del depósito se puede verificar, pero no es una forma precisa de determinar las fugas porque los intercambiadores de calor contrarrestan el aumento de temperatura. Cuando la temperatura en el tanque supera el valor recomendado, ya existe una falla grave, como una fuga interna en uno o más componentes o un intercambiador de calor obstruido.

Inicialmente, se recomienda hacer un mapa de temperatura del sistema al inicio. Esto servirá como referencia para lecturas de prueba posteriores. Para evitar confusiones, se deben crear dos mapas, uno con el equipo en funcionamiento y otro con el equipo apagado o en espera durante más de dos horas. La fecha del mapeo original debe registrarse junto con la temperatura ambiente cerca del sitio de prueba.

Tenga en cuenta que muchas condiciones pueden alterar la lectura de una pistola de calor infrarroja. En primer lugar, dado que la mayor parte de la suciedad es un mal conductor del calor, la acumulación en las superficies de los componentes tiende a actuar como aislante. Esto hace que la temperatura exterior de la acumulación de suciedad sea inferior a la temperatura real del diámetro exterior de la tubería o cañería. Lo mismo ocurre con las incrustaciones y otros contaminantes que se acumulan en las superficies internas de las tuberías o tubos. Esta incrustación no solo puede hacer que el exterior de una tubería o tubo esté más frío que el fluido en el interior, sino que, si es lo suficientemente gruesa, una capa o incrustación puede restringir el flujo lo suficiente como para elevar la temperatura del fluido.

En ambos casos, esta capa aislante mantiene caliente el fluido. Lo mismo ocurre con la manguera, que también tiende a proporcionar aislamiento. Como resultado, las tuberías, los conductos y las mangueras pueden transportar el calor a distancias más largas que cuando se limpian por dentro y por fuera las tuberías o los conductos. Debido a que la temperatura elevada se produce en una distancia mayor, esta situación puede dar la impresión de que se está produciendo una fuga interna, cuando en realidad no es así.

Esto refuerza aún más la práctica de mantener limpios los sistemas hidráulicos. Mantener limpias las superficies interiores y exteriores promueve el enfriamiento al permitir que el calor se transfiera a las áreas circundantes a través de tuberías o tubos. Por supuesto, mantener su fluido hidráulico lo más limpio posible siempre es una buena idea para maximizar el rendimiento, la confiabilidad y la longevidad.

El difunto James R. Mollo era presidente de McMurray Hydraulic Design Consultants en Pensilvania en el momento de la presentación de este manuscrito.

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