1.2 Ventajas e inconvenientes de los sistemas de potencia fluida Existen diferentes tipos de sistemas de transmisión de energía para generar y controlar un movimiento. Los sistemas de transmisión de energía más comunes son: – Sistemas mecánicos (engranajes, palancas, correas, cadenas, etc.). – Sistemas eléctricos (motores, alternadores, transformadores. etc.). – Sistemas oleo-hidráulicos (bombas, motores, cilindros, válvulas, etc.). – Sistemas neumáticos (compresores, actuadores lineales y rotativos, válvulas, etc.). En muchas aplicaciones se utiliza una combinación de varios sistemas para encontrar la solución óptima. El principal factor que condiciona la utilización de un tipo de sistema u otro es la distancia a la que se requiere transmitir la potencia.
Así, los sistemas mecánicos son adecuados para transmisión a distancias cortas, mientras que los sistemas eléctricos con especialmente adecuados para la transmisión de energía a grandes distancias. Los sistemas de potencia fluida tienen su campo de aplicación en la transmisión de potencia a distancias intermedia entre los sistemas mecánicos y eléctricos. La neumática y los sistemas de aire comprimido en general se pueden utilizar eficientemente para transmitir potencia hasta algunos cientos de metros, mientras que la hidráulica se utiliza en distancias más cortas, de orden de algunos metros como máximo. Las ventajas de las transmisiones oleo-hidráulicas y neumáticas son: a) Accionamientos a velocidad variable La variación de velocidad se realiza mediante la regulación del caudal de trabajo o mediante la utilización de bombas y motores de caudal variable de una forma relativamente sencilla. b) Reversibilidad Mediante la utilización de válvulas direccionales y bombas y motores reversibles se puede realizar una inversión del movimiento de forma casi instantánea (prácticamente sin periodos de aceleración y deceleración), quedando protegido el circuito por válvulas de seguridad de las sobrepresiones generadas. c) Protección (seguridad) Mediante válvulas de seguridad y amortiguadores se protegen los componentes del circuito de las sobrepresiones que se puedan generar. d) Posibilidad de arranque y paro en carga e) Control preciso de grandes fuerzas (fuerza/par constante a velocidad variable).
Mediante el principio de Pascal se pueden obtener grandes fuerzas fácilmente controlables por diferentes tipos de mecanismos de actuación (palancas, botones,… etc.). El fluido transmisor es incompresible f) Transmisión de potencia a distancia en ambientes con riesgo de explosión El fluido transmisor se puede transportar mediante conductos de alimentación y retorno hasta zonas alejadas, separándose el grupo de presión de los actuadores, pudiendo utilizarse en 4 ambientes con peligro de explosión donde no pueden utilizarse motores eléctricos. Especialmente en sistemas neumáticos donde el fluido de trabajo es aire. g) Versatilidad de operación y aplicación Un solo grupo de presión puede alimentar a diferentes actuadores y de muy diferentes características simultáneamente. h) Flexibilidad de las instalaciones Las instalaciones son fácilmente adaptables y ampliables. i) Bajo mantenimiento El aspecto que requiere mayor control son las fugas. Poseen pocos elementos móviles y están auto-lubricados, por lo que el mantenimiento es relativamente bajo. Los inconvenientes de los sistemas de potencia fluida son: a) No es aplicable para pequeñas fuerzas Para pequeñas fuerzas resultan más adecuadas las instalaciones neumáticas. b) Temperatura de operación limitada El límite de temperatura lo establece el tipo de fluido utilizado. En la mayoría de los casos se requiere un sistema de enfriamiento del fluido. c) Componentes de precisión elevado coste Los elementos con buen ajuste de tolerancias para altas presiones son costosos. Las fugas en los sistemas oleo hidráulicos son problemáticas. d) Contaminación y fugas del fluido hidráulico El fluido hidráulico de transmisión se puede contaminar por corrosión, suciedad, etc., y requiere ser filtrado. e) Circuitos complejos difíciles de calcular En circuitos complejos con gran número de actuadores y condicionantes de funcionamiento de tipo lógico pueden producirse diferentes secuencias y estados diferentes.

1.2.1 Comparación oleo-hidráulica vs neumática–
La Neumática es más limpia en cuanto a operación y fugas. Requiere mayor mantenimiento de equipos de tratamiento – En neumática el fluido de trabajo es más barato pero la eficiencia de generación del aire comprimido es muy baja (elevado coste de generación) – El aire es ininflamable y se puede utilizar en locales con riesgo de explosión – Los componentes neumáticos son más baratos – Las fuerzas de trabajo en neumática son mucho más pequeñas – En neumática la transmisión de potencia no es instantánea y la fiabilidad y rigidez son menores por la compresibilidad del gas. El control es menos preciso

TEMA 2

Los fluidos hidráulicos utilizados en la actualidad se clasifican en: – Aceites minerales. Obtenidos por destilación del petróleo. (Presentan un elevado índice de viscosidad, tienen propiedades anticorrosivas, anti-desgaste, etc). – Fluidos ininflamables: – Mezclas agua–
Glicol. (Contenido en agua entre 20 y 45%) Etilen-glicol-agua o Propilen-glicol-agua – Fluidos sintéticos. Su principal inconveniente es que tienen elevado coste. – Éster-Fosfatos – Hidrocarburos clorados o halogenados – Ésteres orgánicos – Emulsiones agua-aceite (Taladrina soluble). Es una disolución de aceite en agua con un contenido entre el 3 y el 15% de aceite) – Emulsiones inversas. Disoluciones de agua en aceite (contenido en agua del 40%). Tienen bajo poder de lubricación, son ininflamables y producen la evaporación del agua.3 En sistemas neumáticos y redes de aire comprimido el fluido utilizado obviamente es el aire. El aire atmosférico contiene gran número de compuesstos gaseosos, así como vapor de agua y contaminantes varios (humos, polen, polvo, contaminantes gaseosos cerca de las fuentes de emisión de estos productos, etc.) Se denomina aire seco, al aire atmosférico una vez eliminados tanto todo el vapor de agua como los contaminantes presentes. Numerosas mediciones han demostrado que la composición del aire seco, es relativamente constante, salvo pequeñas variaciones en función del tiempo, localización geográfica y altitud.

2.2 Propiedades de los fluidos hidráulicos

Para la correcta selección del fluido hidráulico más adecuado según sus propiedades, deben considerarse los siguientes factores: – Temperatura de trabajo – Picos de temperatura de operación7 – Mínima temperatura de arranque – Posible contaminación del agua – Ambiente corrosivo – Riesgo de incendio – Compatibilidad con las juntas – Toxicidad

Humedad absoluta del aire

Se denomina humedad absoluta del aire a la relación entre la masa de vapor de agua que hay en cierta cantidad de aire húmedo y la masa de aire seco de dicha cantidad. Es la cantidad de vapor de agua contenida en el aire. Normalmente expresada en g/m3

.Humedad relativa del aire (HR)

La humedad relativa es la relación entre la densidad del vapor de agua en la mezcla o aire húmedo y la densidad del vapor de agua en una mezcla saturada a la misma temperatura. También se puede expresar como la relación entre la cantidad de vapor de agua que posee el aire a una temperatura determinada, y la máxima que es capaz de tener.

Punto de rocío de presión

Temperatura a la cual se alcanza el grado de saturación a una presión determinada –

Temperatura de bulbo seco

Es la temperatura que se mide mediante un termómetro normal, que indica la temperatura del aire húmedo.

Temperatura de bulbo húmedo

Es la temperatura que se mide con un termómetro cuyo bulbo está recubierto de una muselina con agua y está expuesto a una corriente de aire. Entonces, si el aire húmedo no está saturado se produce una evaporación del agua que contiene la tela tanto más intensa cuanto más seco está el aire, y se observa un descenso gradual de su temperatura hasta un valor constante denominado “temperatura de bulbo húmedo”.

Tratamiento de aire comprimido

El aire, en el estado natural en el que es aspirado por el compresor, no siempre es apto para su uso en este tipo de instalaciones. La humedad y las partículas en suspensión son los principales problemas. El aire atmosférico contiene humedad y gran cantidad de impurezas, así, el nivel de hidrocarburos puede alcanzar valores entre 4 y 14 mg/m3 en zonas normales debido al tráfico y en entornos industriales. También se pueden encontrar otros elementos contaminantes, como polvo, dióxidos de azufre u hollín, etc. Por otro lado, durante la compresión se produce un calentamiento del aire que aumenta su capacidad para absorber humedad y se aporta aceite procedente del sistema de lubricación del compresor, dando lugar a un incremento de la concentración de estas sustancias contaminantes. Para que este contenido en agua e impurezas no sean transportadas por la red de conductos y puedan llegar a los elementos de regulación, control o actuadores y deteriorarlos, es necesario realizar unas operaciones de preparación y tratamiento, que consisten en reducir a niveles aceptables el contenido en agua y aceite y la eliminación de impurezas.

Secadores pasivos

Los sistemas de secado pasivo no consumen energía. Suelen ser empleados en instalaciones en las que el caudal requerido es pequeño y no hay una elevada cantidad de condensados. También pueden emplearse en instalaciones medianas o grandes, instalándolos junto a los puntos de consumo cuando se requiere un aire muy seco en una herramienta pero no en el resto de la instalación. Los secadores basados en el efecto ciclónico provocan el choque del flujo de aire comprimido y la separación de por efecto de la fuerza centrífuga al hacerlo girar en forma de vórtice. La fuerza centrífuga hace condensar por precipitación en las paredes del componente parte de la humedad. Es el equipo de secado más económico, y funcionan incrementando la velocidad del aire a tratar y cambiando su dirección (ciclón), con lo que las partículas sólidas y líquidas que estén en suspensión en el aire, por la fuerza centrífuga quedan retenidas en las paredes del recipiente y por decantación caen al fondo del separador de donde son extraídas al exterior.

Los secadores por absorción,sustancias higroscópicas desecantes líquidas o sólidas que reaccionan con el vapor de agua mediante una reacción química formando sustancias normalmente corrosivas como el cloruro sódico o ácido sulfúrico diluido. La sustancia desecante, altamente higroscópica, retiene el vapor de agua contenido con el aire comprimido. Aunque son muy económicas, necesitan reponer periódicamente la carga del producto que se emplee, además que para un correcto funcionamiento, necesitan que el aire que entre esté lo más frío posible, no son recomendables temperaturas de aire superior a los 30ºC. Secadores activos Los secadores activos se utilizan para caudales mayores que los pasivos. El consumo energético de este tipo de secadores representa aproximadamente entre el 3% y el 5% de la potencia del compresor. Pueden ser de dos tipos: – Secadores por condensación (mecánica o mediante un sistema de refrigeración). La temperatura de rocío que se alcanza es de alrededor de 3ºC – Secadores por adsorción. En este caso la humedad es eliminada mediante un proceso físico de atracción y adhesión del vapor de agua al circular a través de un lecho de material poroso granular con propiedades desecantes. Permite alcanzar temperaturas de rocío entre -20ºC y -70ºC.
Los secadores por condensación constan básicamente de un circuito frigorífico de producción de frío, un intercambiador en el que produce una reducción previa de la temperatura y un evaporador en el que se disminuye la temperatura del aire hasta su temperatura de rocío, y el exceso de agua condensa. Se requiere un sistema de purga para evacuar los condensados y deben instalarse en lugares bien ventilados. Al trabajar con caudales elevados se hace necesario emplear un método de secado del aire más potente. Este proceso consta de dos fases: – Intercambiador. El aire comprimido, salvo que proceda de un depósito de gran volumen, viene caliente. En este intercambiador se consigue bajar su temperatura hasta un valor cercano a la temperatura ambiente. Este pre-enfriamiento supone un ahorro energético en el siguiente paso (evaporador). – Evaporador.

En los secadores por adsorción el efecto de secado se basa en que las moléculas de agua se fijan sobre la superficie de un elemento poroso. Se pueden utilizar diferentes sustancias hidratadas o deshidratadas sólidas, pero las más utilizadas con el dióxido de Silicio (Sílicagel, SiO2), y la Alúmina Al2O3, etc. Este lecho absorbente se satura con el uso, por lo que normalmente están formados por dos depósitos, de manera que mientras uno está en activo, el otro está en regeneración. Este proceso de regeneración es una característica de este tipo de secadores, utilizándose dos columnas de forma alternativa. Este proceso de regeneración consiste en que al someter el lecho poroso a un gas secador o al calentarlos, calentarlos cede nuevamente el agua retenida. EL proceso debe desarrollarse en ausencia absoluta de aceite para que no se produzca la obstrucción de los capilares del elemento poroso, por lo que previamente debe instalarse un filtro desoleador.

Tipos de BDP

Según la forma en la que se desplaza el contorno móvil se pueden clasificar en general en: – Bombas Alternativas. Cuando el desplazamiento es lineal, las más utilizadas son las bombas de émbolos o pistones lineales de simple efecto, doble efecto, diferenciales, etc. – Bombas Rotativas. Cuando el desplazamiento es rotatorio. Las más utilizadas son las bombas de engranajes: Externos o internos, las bombas de paletas y las de pistones o émbolos rotativos: Radiales o Axiales.

A) Bombas alternativas

Son bombas oscilantes de pistones. La presión máxima generada depende de la fuerza aplicada al pistón y del área de este. El caudal bombeado depende básicamente de la carrera del pistón. Los parámetros básicos son la cilindrada (desplazamiento,D , en cm3 /carrera) y el caudal ( Q , en l/min al régimen de giro nominal en rev/min). Hay de diferentes tipos; simple efecto, doble efecto y combinadas (una bomba para grandes caudales y bajas presiones y otra diferente para bajos caudales y altas presiones).

B) Bombas rotativas

El movimiento de la bomba para trasladar el fluido desde la entrada a la salida es rotativo. Se pueden clasificar en función del tipo de elemento que transmite el movimiento al fluido

.Curvas características de BDP

En las curvas características de BDP se suele representar la presión suministrada en abcisas, y el caudal, la potencia absorbida y el rendimiento, en ordenadas. El caudal es prácticamente constante con la presión hasta llegar a un valor límite para el cual las fugas aumentan y el caudal impulsado empieza a disminuir. En la práctica la curva de caudal suministrado por la bomba se corta bruscamente a la presión establecida en la válvula limitadora de presión. La curva de potencia muestra como tanto la potencia requerida como la potencia de salida aumenta linealmente con la presión de suministro. La curva de par muestra también un aumento lineal con la presión. Por último, el rendimiento volumétrico disminuye ligeramente con la presión, ya que las fugas van aumentando y el rendimiento global aumenta hasta el valor de la presión nominal y luego de mantiene prácticamente constante.

Tipos de compresores

La elección del sistema de compresión ha de hacerse, principalmente, en función de los gastos de explotación, ya que los gastos energéticos suponen en torno al 75% de los gastos totales de una instalación de producción de aire comprimido. Los sistemas de compresión sin aceite (soplantes) están indicados para presiones hasta 4 bar. Para presiones superiores a 5 bar, los sistemas sin aceite deben operar en varias etapas para que haya una buena relación entre la potencia consumida y el caudal de aire suministrado, no resultando rentables económicamente. A partir de 5 bar, y hasta 17 bar es más económico emplear compresores convencionales, bien rotativos o alternativos con sistemas de refrigeración y lubricación. Los compresores se pueden clasificar por tanto en: – Compresores dinámicos (blowers). Pueden ser de tipo eyector, centrífugo o axial. Se utilizan para grandes caudales. Se suelen utilizar en instalaciones de transporte neumático y las presiones de trabajo inferiores a 4 bar. Diferentes tipos de compresores dinámicos – Compresores de desplazamiento positivo (volumétricos). Se utilizan para presiones superiores a 5 bar. Pueden ser: o ALTERNATIVOS: (Pistón y Membrana). Para altas presiones (multietapa) y bajos caudales o ROTATIVOS: Existen diferentes tipos: – Paletas. Bajas presiones – Tornillo. Presiones y caudales medios. Son los más eficientes – Lóbulos (Roots). Muy bajas presiones (posibles problemas de fugas)