Los cuatro pilares de la eficiencia de la prensa hidráulica

La mayoría de los lectores de esta columna saben muy bien que la viscosidad de los fluidos hidráulicos a base de hidrocarburos es inversamente proporcional a la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, la viscosidad del fluido disminuye y viceversa. Esta no es una situación ideal por varias razones. De hecho, el índice de viscosidad (cambio en la viscosidad del fluido con respecto a la temperatura) de un aceite hidráulico ideal está representado por la línea horizontal que corta el eje Y en 25 cStou.

Esta temperatura-viscosidad muestra que los fluidos hidráulicos ideales no cambian su viscosidad independientemente de la temperatura.

Desafortunadamente, no existe tal fluido para aumentar la eficiencia y la longevidad de las prensas hidráulicas. Es poco probable que este líquido se desarrolle durante mi vida. Pero si el líquido se desarrolla y patenta, sus creadores tendrán las llaves de la mina de oro. Actualmente, contamos con fluidos hidráulicos multigrado. Estos fluidos tienen un alto índice de viscosidad, por lo que su viscosidad es menos sensible a los cambios de temperatura que los aceites monogrado.

consecuencias no deseadas

La viscosidad del fluido es uno de los factores que determina si se logra y se mantiene la lubricación de película completa. La lubricación límite ocurre si la carga y la velocidad superficial permanecen constantes, pero las temperaturas de operación elevadas hacen que la viscosidad caiga por debajo de la requerida para mantener la película hidrodinámica;Esto crea el potencial para la fricción y el desgaste adhesivo.

Por otro lado, existe un rango de viscosidad donde la fricción del fluido, la fricción mecánica y la pérdida de volumen son óptimas para el desempeño del sistema hidráulico. Este es el rango de viscosidad en el que el sistema hidráulico opera de manera más eficiente: la relación más alta entre la potencia de salida y la potencia de entrada.

Para ilustrar el punto anterior, considere el siguiente ejemplo: En una búsqueda para mejorar el consumo de combustible, un fabricante de una prensa hidráulica móvil impulsada por motor reemplazó sus bombas de desplazamiento fijo que accionan los accesorios de la máquina con unidades de desplazamiento variable. La transmisión por tierra de la máquina ya usaba una bomba de pistón de desplazamiento variable (transmisión hidrostática), por lo que parecía una progresión lógica para los ingenieros de diseño de la máquina actualizar el circuito hidráulico del accesorio a una configuración más eficiente.

Cuando se probó esta modificación, los ingenieros se sorprendieron al descubrir que el consumo de combustible en realidad aumentó entre un 12 % y un 15 %. Después del análisis, el aumento en el consumo de combustible se atribuyó a un aumento en la viscosidad del aceite debido a una caída de 30°C en la temperatura de operación del aceite. En otras palabras, el aceite «más espeso» crea una resistencia adicional en la transmisión hidrostática que impulsa la transmisión motriz, lo que hace que la máquina use más combustible.

La máquina utiliza un intercambiador de calor combinado de dos etapas para aceite hidráulico y refrigerante del motor. La refrigeración del motor se mejora con el accionamiento del ventilador hidráulico controlado termostáticamente en función de la temperatura del refrigerante del motor. La sección del enfriador de aceite está dimensionada para adaptarse a la bomba hidráulica de desplazamiento fijo original.

La desventaja de este arreglo es que, dado que el enfriamiento del motor está controlado termostáticamente y el sistema hidráulico no, el flujo de aire a través del intercambiador de calor combinado depende completamente de la temperatura del motor. Esto significa que la reducción de la carga de calor mediante la sustitución de la bomba de caudal fijo por una unidad de caudal variable da como resultado una reducción significativa de la temperatura del aceite hidráulico, ¡lo que suele ser algo bueno!

Los ingenieros bloquearon la mayor parte de la sección de aceite hidráulico del enfriador y volvieron a realizar la prueba. Esto devolvió el consumo de combustible a donde estaba antes, pero no vio una mejora notable.

Se concluyó que las modificaciones probadas podrían resultar en pequeños ahorros de costos al reducir el tamaño del enfriador de aceite. Sin embargo, dado que el consumo de combustible es más importante que cualquier ahorro modesto en la capacidad de refrigeración, la idea de pagar más por una bomba que mantiene el aceite a una temperatura de funcionamiento más baja pero aumenta el consumo de combustible es irreconciliable para los ingenieros de máquinas.

conocimiento aprendido

Esta historia ilustra el efecto de la temperatura del aceite hidráulico (y por lo tanto, la viscosidad) en el consumo de combustible. Revisa los puntos clave:

  • Carga térmica reducida en el sistema hidráulico (mayor eficiencia) al reemplazar bombas fijas con unidades de desplazamiento variable;
  • Esto da como resultado una caída significativa en la temperatura del aceite hidráulico de trabajo;
  • El aumento resultante en la viscosidad del aceite hidráulico aumenta significativamente el consumo de combustible.

En otras palabras, si su fluido hidráulico es demasiado espeso, pagará en la bomba de combustible o en el medidor de electricidad. Sin embargo, la otra cara de la moneda a tener en cuenta es que si su aceite es demasiado delgado, pagará en el taller de reparación.

Suponiendo que esta prueba se realice a la misma temperatura ambiente con ambas opciones de bomba, una caída de 30 °C (54 °F) en la temperatura del aceite hidráulico es significativa. Esta parte puede explicarse por el intercambiador de calor combinado instalado en la máquina. A medida que aumenta la viscosidad del aceite hidráulico, el motor trabaja más (quema más combustible), por lo que el ventilador de refrigeración (controlado por la temperatura del motor) funciona con más fuerza. Esto significa que se disipa más calor del aceite hidráulico, por lo que la viscosidad del aceite hidráulico aumenta aún más. Es un bucle pegajoso.

Otro punto de esta historia, en lo que se refiere a los diseñadores de máquinas y las personas que las compran, es que la mayoría de los diseñadores no ven el aceite como un componente crítico de los sistemas hidráulicos. La viscosidad del fluido hidráulico, el índice de viscosidad o los valores de viscosidad óptimos para los componentes hidráulicos del sistema claramente no se tuvieron en cuenta durante las pruebas. Esto sugiere que el consumo normal de combustible de referencia de la máquina es solo una feliz coincidencia.

Incluso después de encontrar un aumento aleatorio de la viscosidad del aceite en el consumo de combustible, aunque se reconoció y consideró la posibilidad de reducir la capacidad de refrigeración instalada, obviamente no se consideró cambiar la viscosidad del aceite para que coincida con el sistema de mayor eficiencia (y, por lo tanto, menor temperatura de funcionamiento). de. Si se combina una bomba más eficiente con la capacidad de enfriamiento existente con un fluido de la viscosidad correcta, la economía de combustible de la máquina puede ser mejor que la del sistema original.

En otras palabras, los diseñadores de máquinas no consideraron adecuadamente los cuatro aspectos de lo que yo llamo el diamante de eficiencia energética de una máquina hidráulica.

Diamante de eficiencia energética

La eficiencia energética se refiere a la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada. Una salida de 90 kW de una entrada de 100 kW tiene una eficiencia del 90 %. La eficiencia de entrada de 90 kW a partir de 110 kW es del 82%. La eficiencia de la salida de 90 kW de 120 kW es del 75%. Tenga en cuenta que la salida sigue siendo la misma en los tres casos: 90 kW.¡Solo la potencia de entrada, por lo tanto, el consumo de combustible o energía del motor principal necesario para obtenerlo, sigue aumentando!

Los cuadrantes de diamante de eficiencia energética de las prensas hidráulicas están todos interconectados. Cambiar cualquiera de los dos afectará la simetría del diamante.

Los cuatro aspectos del diamante de eficiencia energética de una prensa hidráulica están todos interrelacionados;Cambie cualquiera de los dos y la simetría del diamante se verá afectada.

La eficiencia del diseño refleja la eficiencia «nativa» del hardware seleccionado para el sistema. Este hardware incluye la cantidad de consumidores eléctricos presentes, como válvulas proporcionales, controles de flujo y válvulas reductoras de presión. También incluye pérdidas «diseñadas» por el tamaño y configuración de todos los conductores necesarios: tuberías, mangueras, accesorios y colectores.

En el otro lado del diamante, la capacidad de refrigeración instalada (como porcentaje de la potencia de entrada continua) debe reflejar el diseño o la eficiencia inherente del sistema hidráulico. En otras palabras, cuanto menor sea la eficiencia de la unidad, mayor será la capacidad de refrigeración instalada.

Adyacente a la capacidad de refrigeración instalada está la temperatura del aire ambiente a la que funciona la prensa hidráulica. Esto afecta directamente la temperatura del aceite de trabajo del sistema hidráulico, que determina en gran medida la viscosidad del aceite, completando el diamante de eficiencia energética.

El diseñador de la máquina no tiene control sobre la temperatura del aire ambiente, aunque sí necesita saber cuál es el rango. Pero ella identificó (o al menos debería) identificar las otras tres variables;Eficiencia de diseño, capacidad frigorífica instalada y viscosidad del aceite. Como muestra la ilustración del rombo de eficiencia energética (y el estudio de caso anterior), ninguna de estas variables se puede considerar de forma aislada.

Desde el punto de vista del propietario de la máquina, el «diamante de la eficiencia energética» ayuda a que la eficiencia del diseño, la capacidad de refrigeración instalada y la temperatura del aire ambiente sean objetivos móviles incluso después de que la máquina esté diseñada, construida y llena de aceite. Afecta la viscosidad del aceite de trabajo y, por lo tanto, el consumo de energía.

El potencial de cambios en la temperatura del aire ambiente, especialmente si la máquina se mueve entre ubicaciones con diferentes condiciones climáticas, es bastante obvio. Aunque la eficiencia del diseño no cambia, la eficiencia operativa real generalmente se deteriora con el tiempo debido al desgaste. Del mismo modo, aunque la capacidad de refrigeración instalada no cambia con el tiempo, su eficacia como porcentaje de la potencia de entrada puede variar debido al desgaste de los componentes del circuito de refrigeración y, en el caso de los intercambiadores de calor, a los cambios de temperatura y altitud del aire ambiente.

Por lo tanto, llevar una prensa hidráulica a su «punto ideal» para la eficiencia energética requiere un diseño inteligente. Mantenerlo requiere mantener los cambios en la variable dependiente al mínimo. En ambos casos, Power Efficiency Diamond ayuda a los diseñadores de máquinas y propietarios de equipos hidráulicos a comprender la tarea que tienen entre manos.

Brendan Casey tiene más de 26 años de experiencia en mantenimiento, reparación y reacondicionamiento de equipos hidráulicos móviles e industriales. Para obtener más información sobre cómo reducir los costos operativos y aumentar el tiempo de actividad de los equipos hidráulicos, visite su sitio web: www. SupermercadoHidráulico.com .

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