Propiedades y Conceptos Fundamentales de Fluidos

Definiciones Básicas

Caudal: Es el volumen de fluido que atraviesa una determinada sección transversal de una conducción por cada unidad de tiempo.

Humedad Atmosférica: Se refiere al contenido de vapor de agua presente en el aire. Este contenido se puede expresar de varias formas, siendo las más usuales:

• a) Humedad absoluta: Es la masa de vapor de agua contenida en cada unidad de volumen de aire. Generalmente se expresa en g/m³.
• b) Humedad relativa: Se define como el cociente entre la masa de vapor de agua existente en un volumen de aire (m_v) y la masa de vapor que habría si ese mismo volumen de aire estuviese saturado a la misma temperatura (m_s).
• c) Grado de humedad o humedad específica: Es el cociente entre la masa de vapor de agua y la masa de aire seco contenidas en un mismo volumen.

Presión de vapor: Si se encierra un líquido en un espacio confinado, las moléculas del vapor generado ejercen una presión parcial en dicho espacio, denominada presión de vapor.

Viscosidad: La viscosidad se debe al rozamiento interno entre las moléculas de un fluido. Representa una medida de la resistencia del fluido a fluir o deformarse, siendo análoga al rozamiento entre sólidos.

Tipos de Flujo

Existen dos tipos principales de flujo en los fluidos:

• Flujo laminar: También llamado corriente laminar, es el movimiento de un fluido cuando este es ordenado, estratificado y suave, con las partículas moviéndose en trayectorias paralelas.
• Flujo turbulento: También conocido como corriente turbulenta, es el movimiento de un fluido cuyas partículas se mueven de forma caótica y desordenada, creando pequeños remolinos aperiódicos en sus trayectorias.

Pérdida de Carga (2.5)

La pérdida de carga, o caída de presión, es la disminución de presión que experimenta un fluido al circular por un conducto. Es deseable que las pérdidas de carga sean lo más pequeñas posible. Si ocurren pérdidas significativas en una conducción, su valor debe tenerse en cuenta para el dimensionamiento adecuado de los demás elementos del sistema.

Propiedades del Aceite Hidráulico

Capacidad de Lubricación

La capacidad de lubricación define la idoneidad de un aceite o lubricante seleccionado para minimizar el contacto directo entre las partes móviles de un mecanismo. Permite determinar si el aceite es apto para la aplicación específica. El ajuste entre las partes móviles de un sistema hidráulico debe permitir la formación de una película de fluido lubricante entre ellas. Si el aceite posee una viscosidad adecuada, se puede evitar que las imperfecciones de las superficies metálicas entren en contacto, previniendo así desgastes o roturas imprevistas que puedan afectar al funcionamiento del sistema. Bajo condiciones de alta presión, holguras muy pequeñas o velocidades elevadas, la película de fluido puede adelgazarse, aumentando el riesgo de contacto metal-metal. Por ello, en muchos casos es necesario incorporar aditivos para conferir al aceite propiedades químicas especiales y adecuadas para cada aplicación.

Resistencia a la Oxidación (1.7)

La resistencia a la oxidación es la capacidad que tiene un determinado aceite para resistir la degradación química causada por la reacción con el oxígeno. Los aceites derivados del petróleo (minerales) son particularmente susceptibles a la oxidación, ya que el oxígeno atmosférico disuelto en el aceite puede combinarse fácilmente con los hidrocarburos que los componen.

Las consecuencias de la oxidación siempre son negativas para el sistema. Los productos resultantes de la oxidación pueden ser solubles o insolubles en el aceite, y ambos casos producen efectos perjudiciales:

• Productos solubles: Provocan reacciones que forman gomas o lodos. Estos productos, por su acidez, pueden causar la corrosión del sistema, a la vez que aumentan la viscosidad del aceite.
• Productos insolubles: Pueden taponar orificios y conductos estrechos, aumentar el desgaste de los componentes y provocar que las válvulas u otros elementos móviles se agarroten.

Diversos factores actúan como activadores de la oxidación del aceite, entre ellos: el calor, la presión, los contaminantes (como partículas metálicas), el agua, las superficies metálicas (que pueden actuar como catalizadores) y la agitación. Quizás el factor más importante sea la temperatura. Como regla general, cada aumento de 10°C en la temperatura duplica aproximadamente la velocidad de oxidación, aunque por debajo de 57 °C su influencia es considerablemente menor. Para contrarrestar este fenómeno, especialmente cuando el aceite debe trabajar a altas temperaturas, los fabricantes añaden aditivos antioxidantes.

Compresores de Aire

3.1. Compresores de Émbolo (Pistón)

Los compresores de émbolo son los más utilizados debido a su coste relativamente bajo y su flexibilidad de funcionamiento, ya que permiten trabajar con caudales de diferentes magnitudes y con un amplio rango de relaciones de compresión.

El funcionamiento de este tipo de compresores es similar al de un motor de combustión interna. Un eje, sobre el que va montada una excéntrica o cigüeñal, acciona una biela que produce un movimiento alternativo en el pistón dentro de un cilindro. Al descender el pistón, se crea un vacío parcial que abre la válvula de admisión (aspiración), permitiendo la entrada de aire. En ese momento, la válvula de salida está cerrada. Cuando el pistón alcanza su punto más bajo, ambas válvulas se cierran momentáneamente. Al subir el pistón, el aire atrapado en la cámara de compresión se comprime. Una vez que la presión alcanza el nivel deseado, la válvula de salida se abre y el aire comprimido es expulsado hacia el circuito o depósito.

Los compresores de émbolo de una sola etapa pueden alcanzar presiones de trabajo desde 6 bar hasta un máximo de 10 bar. En los modelos de dos o más etapas, se pueden alcanzar presiones superiores, comúnmente hasta 15 bar o más. En cuanto a los caudales, pueden variar enormemente, llegando hasta los 500 m³/min en unidades industriales grandes.

Para lograr mayores presiones de forma eficiente, los compresores de émbolo suelen utilizar múltiples etapas de compresión. En cada etapa, se produce un aumento de la presión del aire, y a menudo se incluye refrigeración intermedia. En la última etapa, el aire se expulsa a la presión final requerida. Los compresores de émbolo más comunes son los de dos etapas, que suelen refrigerarse mediante agua, aceite o aletas de disipación de calor situadas alrededor de los cilindros.

3.2. Compresores Rotativos

Los compresores rotativos aumentan la presión del aire mediante el giro de uno o más rotores. El aire es aspirado cuando el rotor gira en un determinado sentido y, posteriormente, se comprime dentro de la cámara de compresión que se forma en el interior del compresor. Dentro de este tipo, los más importantes son los de paletas y los de tornillo:

A. Compresor Rotativo de Paletas

La característica fundamental de estos compresores es que poseen un rotor excéntrico con una serie de paletas radiales alojadas en ranuras. Al girar el rotor, la fuerza centrífuga empuja las paletas hacia afuera, manteniéndolas en contacto con la pared interior de la carcasa (estator). Debido a la excentricidad del rotor, el volumen entre cada dos paletas consecutivas varía a medida que giran, creando cámaras de compresión que disminuyen de volumen y aumentan la presión del aire atrapado. Estos compresores son relativamente silenciosos y proporcionan un caudal de aire prácticamente constante y libre de pulsaciones.

B. Compresor Rotativo de Tornillo

Estos compresores son relativamente modernos y su precio inicial suele ser elevado, aunque su bajo desgaste y alta eficiencia los hacen ventajosos a largo plazo. Son bastante silenciosos y pueden proporcionar caudales elevados, hasta unos 8 m³/min o más, con presiones de trabajo que típicamente oscilan entre 7 y 14 bar.

Su funcionamiento se basa en el giro sincronizado de dos tornillos helicoidales (uno macho y otro hembra) que engranan entre sí. El aire entra por el orificio de aspiración y queda atrapado en las cavidades que se forman entre los lóbulos de los tornillos y la carcasa. A medida que los tornillos giran, estas cavidades se desplazan axialmente y su volumen disminuye progresivamente, comprimiendo el aire hasta que es expulsado por el orificio de salida.

6.3. Motores Hidráulicos

Un motor hidráulico convierte la energía hidráulica (presión y caudal de un fluido) en energía mecánica de rotación, entregando un par motor en su eje de salida. Su funcionamiento es, en principio, inverso al de las bombas hidráulicas. El motor es accionado por el líquido a presión enviado por una bomba y, a su vez, actúa mecánicamente sobre una carga mediante un movimiento giratorio.

Los tipos más comunes son motores de engranajes, de paletas y de pistones, con configuraciones similares a las bombas de la misma denominación.

1. Motores de Engranajes

Se emplean con frecuencia por ser constructivamente sencillos, robustos y económicos. Son de tamaño reducido y fácilmente acoplables. Pueden girar en ambos sentidos (reversibles) y su cilindrada (volumen de fluido por revolución) es fija. Se fabrican con dos tipos principales de engranajes: externos e internos (gerotor).

2. Motores de Paletas

Estos motores también son de uso frecuente. A diferencia de las bombas de paletas donde la fuerza centrífuga suele ser suficiente para expandir las paletas contra el estator, en los motores, el movimiento radial de las paletas suele ser forzado (mediante resortes o presión hidráulica) para asegurar un buen sellado y funcionamiento, especialmente a bajas velocidades o durante el arranque.

3. Motores de Pistones

Son los más utilizados en aplicaciones que requieren alto rendimiento, debido a sus excelentes características de eficiencia, par y control. Existen modelos de pistones radiales y pistones axiales, y pueden ser de cilindrada fija o variable. Dado que su velocidad de funcionamiento máxima suele ser inferior a la de los motores eléctricos de potencia comparable, el par motor que entregan los motores hidráulicos es considerablemente superior para un tamaño similar.

Los motores hidráulicos de pistones axiales se emplean frecuentemente en el accionamiento de husillos, carros y mesas de máquinas-herramienta modernas, así como en transmisiones hidrostáticas de vehículos y maquinaria pesada. A veces se usan solos, o acoplados a otros tipos de motores (eléctricos, paso a paso) o sistemas de control de posición. Esto se debe al alto par y a la rigidez que se requieren en estas aplicaciones, y al potencial ahorro energético o de espacio que pueden ofrecer en comparación con soluciones puramente eléctricas para desarrollar la misma función.