Procedimiento de lavado del sistema hidráulico

Las tolerancias presentes en los sistemas hidráulicos de alta presión de hoy requieren un estricto control de la contaminación del sistema. Los contaminantes integrados en el sistema durante la fabricación y el montaje deben eliminarse antes de la puesta en marcha para garantizar un rendimiento adecuado y predecible del sistema a lo largo de su vida útil.

Los sistemas hidráulicos nuevos o reconstruidos deben lavarse antes de ponerlos en funcionamiento. El concepto de lavado es aflojar y eliminar partículas contaminantes dentro del sistema forzando el fluido de lavado a través del sistema a alta velocidad. En teoría, esto mantendrá las paredes internas de los conductores de fluido tan limpias como el nuevo fluido que se está instalando. Luego, durante el funcionamiento normal, el sistema experimentará solo contaminación generada externa e internamente que puede controlarse mediante filtración.

Las instrucciones de lavado generalmente especifican el nivel de limpieza del sistema que se debe lograr y, a veces, la velocidad del fluido que se debe mantener durante el lavado. Las instrucciones típicas establecen que el lavado debe realizarse dentro de un cierto período de tiempo a la velocidad normal del fluido del sistema y con un cierto nivel de filtración. Las especificaciones más estrictas pueden requerir niveles específicos de contaminación de fluidos y deben documentarse mediante un análisis de contaminación de fluidos.

Una desventaja de todos estos métodos de lavado es que se basan en el programa del líquido de limpieza e ignoran la limpieza dentro del sistema. Incluso con una instalación muy cuidadosa de tuberías y conductores, el ojo humano solo puede ver partículas de más de 40 µm, muy por debajo de los requisitos incluso de los sistemas hidráulicos más primitivos y básicos.

¿Qué tan alta es la velocidad?

Una variable clave en el lavado para lograr una limpieza aceptable del fluido y del conductor es la velocidad del fluido. Los métodos de descarga tradicionales normalmente establecen esta velocidad de una de dos maneras:

  • La velocidad debe ser lo suficientemente alta para lograr un número de Reynolds (NR) de 3000 o superior.
  • La velocidad debe alcanzar o exceder la velocidad operativa normal diseñada del fluido del sistema.

La experiencia ha demostrado que estas tasas de lavado no son suficientes para garantizar la limpieza del diámetro interior (ID) de los conductores del sistema. Una breve revisión de la dinámica de fluidos básica explica por qué.

El número de Reynolds adimensional (entre otros factores) se utiliza para clasificar el flujo de fluidos como laminar, turbulento o de transición (en el medio). El número de Reynolds depende de la viscosidad y la velocidad del fluido y el ID de la tubería o tubería. La condición de flujo que existe cuando el NR es inferior a 2000 se denomina flujo laminar, lo que indica un flujo ordenado con líneas de corriente paralelas. Cuando el número de Reynolds es superior a 3000, el flujo se vuelve turbulento, lo que se define como la situación en la que las líneas de corriente del fluido ya no están ordenadas. Hay una transición entre el número de Reynolds 2000 y 3000;Esto a veces se llama una sección crítica.

La velocidad del fluido hidráulico requerida para lograr un flujo turbulento está dentro de las pautas recomendadas de velocidad del fluido del conductor del fluido hidráulico. Esta ecuación refuerza la afirmación:

NR = V × D/v

donde V es la velocidad del fluido en pies/seg, D es el ID del conductor del fluido en pies y v es la viscosidad cinemática del fluido en pies2/segundo.

primer ejemplo

Suponga que el número de Reynolds es 3000 y el conductor mide 1 pulgada. El grosor de la pared del tubo es de 0,049 pulgadas, v es de 1,288 × 10-4pie2/segundo. La velocidad del fluido calculada fue de 5,14 pies por segundo, lo que corresponde a un caudal de 10,24 gpm.

Tenga en cuenta que la viscosidad (y, por lo tanto, el número de Reynolds) de un fluido hidráulico típico se ve afectada por la temperatura y la presión. Es decir, cuanto más caliente esté el aceite, mayor será el número de Reynolds para la misma velocidad y presión del fluido. Y cuanto mayor sea la presión, menor será el número de Reynolds a la misma velocidad y temperatura del fluido. Por lo tanto, no es estrictamente necesario especificar un número de Reynolds de 3000, pero se encuentra dentro del rango de velocidad del fluido operativo normal del sistema. Por definición, el flujo turbulento se crea porque las líneas de corriente del fluido ya no son paralelas. Sin embargo, no se ha creado suficiente movimiento de fluido para limpiar las paredes internas de los conductores.

Incluso a la velocidad de fluido máxima recomendada y el número de Reynolds para los conductores de trabajo de los sistemas hidráulicos, el flujo de fluido aún no es lo suficientemente turbulento como para afectar seriamente la contaminación en las paredes del conductor. El fluido de la capa límite en la superficie interna del conductor de fluido permanece intacto.

segundo ejemplo

El número de Reynolds para el flujo a velocidades normales del sistema se puede calcular utilizando las mismas dimensiones del conductor y la misma viscosidad cinemática que en el primer ejemplo, pero aumentadas a 20 pies/seg. Esta mayor velocidad dio como resultado un número de Reynolds de 11.671, correspondiente a un caudal de 39,8 gpm.

A medida que aumenta el número de Reynolds, las condiciones de flujo cambian de flujo laminar a través de la región crítica a flujo turbulento. La experiencia ha demostrado que una vez que el número de Reynolds supera los 3000, la resistencia al flujo del fluido es una combinación del flujo turbulento y los efectos de la resistencia viscosa en las paredes del conductor.(La región de resistencia viscosa en la pared del conductor se llama subcapa viscosa). Dentro del rango turbulento hay una región de transición donde la resistencia del flujo cambia de estar gobernada por efectos turbulentos a estar gobernada por la rugosidad de la pared interior del conductor.

Esto se puede ver claramente al examinar el gráfico de Moody, que muestra gráficamente la relación entre el número de Reynolds, el coeficiente de fricción f y la rugosidad de la superficie interna de un conductor, por ejemplo. Cuando el número de Reynolds supera los 4000, la resistencia al flujo a través de un fluido conductor (representada por el coeficiente de fricción) solo se ve afectada por la rugosidad de la superficie del fluido conductor. Por lo tanto, la mayor parte de la resistencia al flujo es creada por efectos turbulentos. Solo cuando el número de Reynolds sea lo suficientemente alto como para proyectar la superficie de la pared del conductor más allá de la subcapa viscosa, la superficie entrará en contacto con el flujo turbulento y afectará la caída de presión en el conductor.

Rugosidad de la superficie

La rugosidad media de la superficie del tubo estirado e fue de 0,000005 pies. Si los conductores tienen la misma 1 pulgada. Diámetro de tubería 0.049 pulgadas. La relación entre el grosor de la pared, la rugosidad y el DI será de 0,000067. El diagrama de Moody’s muestra que el conductor debe tener un número de Reynolds de al menos 25 000 para que la superficie interna exponga su resistencia al flujo de fluido.

Para garantizar la limpieza de las paredes internas del conductor, el número de Reynolds debe ser superior a 25.000. Para que el flujo ocurra completamente en las regiones rugosas de turbulencia, el número de Reynolds debe ser mayor que 3,25 × 107. Usar 1.288 × 10-4pie2/seg: la misma viscosidad cinemática del fluido que en el primer ejemplo: un número de Reynolds de 25 000 corresponde a una velocidad del fluido de 42,8 pies/seg (tasa de flujo de 85 gpm), que aún se puede lograr fácilmente con una bomba hidráulica convencional.

sistema del mundo real

Se puede decir que si las paredes del conductor no se ven muy afectadas por la velocidad normal del fluido del sistema, los contaminantes atrapados allí tienen pocas posibilidades de ingresar al flujo de fluido. Esto puede ser parcialmente cierto, pero el argumento solo se aplica a conductores lisos y rectos con flujo y presión constantes. No representa una instalación normal que combine tuberías rectas, codos y numerosos accesorios, donde los patrones de flujo solo pueden predecirse empíricamente y las fluctuaciones y picos de presión son comunes.

Dependiendo de la severidad del servicio que experimentará el sistema, los picos de presión eliminarán la contaminación en las paredes del conductor y entre las interfaces de empalme. En sistemas críticos, las partículas entre 3 y 25 micrones pueden afectar significativamente el rendimiento del sistema. La única forma de garantizar que la contaminación del conductor (que puede liberarse en cualquier momento durante la operación) no afecte el rendimiento del sistema es proteger cada componente con un filtro, una opción tan costosa que la mayoría de los sistemas no la usarán. Aunque el lavado de los conductores del sistema hidráulico a velocidades de fluido de trabajo normales del sistema puede proporcionar velocidades de fluido más altas que el lavado con un número de Reynolds de 3000, las paredes internas de los conductores aún no se limpiarán.

Lavado a alta velocidad y alta presión

Se requiere un flujo de 25 000 números de Reynolds para garantizar que las paredes del conductor estén expuestas a la turbulencia. Debido a que los conductores del sistema pueden consistir en tuberías, tubos y/o mangueras y accesorios asociados, la especificación del número de contrato para los números de Reynolds es difícil y todavía no hay garantía de que los conductores se limpien. Lo mejor que puede hacer es establecer condiciones que maximicen el número de Reynolds. Estas condiciones incluyen la velocidad más alta posible y la viscosidad de fluido más baja posible. Los factores limitantes son la presión nominal del conductor y la temperatura máxima de funcionamiento del fluido.

Al lavar el sistema, por razones de seguridad, la válvula y el actuador deben «cruzarse» para que la única resistencia al flujo de fluido sea la caída de presión en los conductores y accesorios. Cuando el flujo se vuelve turbulento, la caída de presión es proporcional al cuadrado de la velocidad. Extrapolando esta relación a un valor máximo, la mayor velocidad posible ocurre cuando la caída de presión en el conductor resultante del flujo del fluido es igual a la presión máxima de prueba del conductor. Lavar el sistema con estos altos flujos y presiones tiene la ventaja adicional de expandir y contraer los conductores y accesorios a medida que fluctúa la presión, al mismo tiempo que causa un alto grado de turbulencia. Esto optimiza la acción de lavado.

Al equiparar la caída de presión en un conductor con la clasificación de presión máxima de ese conductor, se puede calcular la velocidad máxima posible del fluido y el número de Reynolds correspondiente. La temperatura de un fluido afecta directamente su viscosidad y es otra variable que puede controlar el número de Reynolds. La presión de lavado también afecta la viscosidad, pero esto es difícil de cuantificar porque la presión en la tubería que se está lavando varía desde un valor máximo en la fuente de la bomba hasta la presión atmosférica en la salida del conductor.

La fórmula para calcular la pérdida de carga en la zona turbulenta es:

Hlargo= f × L × V2/(2D)

donde Hlargoes la pérdida de carga, f es el coeficiente de fricción en el diagrama de Moody y L es la longitud del conductor en pies.

Esta ecuación calculará la velocidad máxima y el número de Reynolds que se puede lograr con cualquier presión de descarga máxima dada.

Determinar la fricción para el flujo de la tubería requiere cálculos iterativos usando los diagramas de Moody. Dada la clasificación de presión, el diámetro interior, la longitud y la rugosidad relativa del conductor, suponiendo un coeficiente de fricción, se calcula la velocidad del fluido. A continuación, calcule el número de Reynolds y determine el nuevo coeficiente de fricción a partir de la gráfica de Moody. El cálculo se repite hasta que el coeficiente de fricción converge.

La tabla de descarga muestra la velocidad y el número de Reynolds calculados para 200 pies de tubería Schedule-80 usando la presión de prueba máxima de la tubería y 0.00015 pies de rugosidad de la superficie de la tubería de hierro forjado. Estos cálculos no tienen en cuenta la caída de presión creada por los diversos accesorios comúnmente utilizados, por lo que los valores alcanzables de velocidad del fluido y número de Reynolds son muy altos. Además, los fluidos con menor viscosidad o el lavado a temperaturas más altas para reducir la viscosidad del fluido pueden aumentar el número de Reynolds.

Los valores máximos de velocidad de descarga y caudal determinados indican que algunas de estas condiciones (principalmente tuberías de menos de 3/4 de pulgada de diámetro interior) se pueden cumplir utilizando bombas convencionales de alta presión con caudales adecuados. Sin embargo, puede resultar difícil inducir las fluctuaciones de presión necesarias para eliminar los contaminantes. Para sistemas con conductores más grandes, se deben usar métodos especiales para obtener la presión, la velocidad del fluido y el número de Reynolds necesarios para limpiar correctamente la línea.

Este artículo fue escrito originalmente por Patrick Jones de Consolidated Fluid Power Ltd., Dartmouth, Nueva Escocia.

La limpieza de la manguera evita problemas de contaminación.

Los estudios han demostrado que el aceite limpio y los sistemas hidráulicos limpios son las claves para prolongar la vida útil del sistema y reducir el tiempo de inactividad. Sin embargo, el aceite limpio puede contaminarse con partículas sobrantes del proceso de corte, prensado, doblado y abocardado, lo que puede causar problemas reales. Se han hecho intentos para abordar este problema mediante el uso de productos químicos, lavado a alta presión y técnicas de extracción, pero con un éxito limitado.

Una técnica de limpieza relativamente nueva ofrece una alternativa eficaz y práctica a estos procedimientos: se rocían proyectiles esponjosos a través de conjuntos de mangueras y tuberías con aire comprimido. El equipo utilizado para este procedimiento es mucho menos costoso que el equipo utilizado para el lavado a alta velocidad. Sin embargo, quizás lo más importante es que limpia los componentes de manera más eficiente que el aire comprimido solo, y en una fracción del tiempo de lavado a alta velocidad.

El lanzador dispara un proyectil (entre un 20 % y un 30 % más grande que el diámetro interior de la manguera, el tubo o la tubería) que elimina los contaminantes del interior a medida que pasa por los accesorios y las curvas, expulsando los contaminantes que tiene delante.

Después de limpiar el conjunto de la manguera, asegúrese de instalar tapas protectoras o tapones en ambos extremos para evitar que entre contaminación en el conjunto. Estos no deben quitarse hasta que el conjunto de la manguera esté instalado en el equipo.

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