Beneficios de los fluidos hidráulicos de máxima eficiencia

Los sistemas hidráulicos se utilizan ampliamente en las industrias manufacturera, de la construcción, forestal, minera y del transporte. Con el paso de los años, los sistemas de transmisión y distribución de energía se han vuelto cada vez más sofisticados, sus aplicaciones más numerosas y sus condiciones de funcionamiento más exigentes.

Las variaciones de viscosidad asociadas a bajas temperaturas de arranque y altas temperaturas de funcionamiento contribuyen a la pérdida de eficiencia y confiabilidad del sistema de diversas maneras. Seleccionar el grado de viscosidad adecuado del fluido hidráulico es una técnica importante y rentable que permite que el equipo arranque sin problemas a bajas temperaturas y, además, proporciona los caudales de aceite necesarios para un funcionamiento eficiente a altas temperaturas.

Este artículo analiza diversas técnicas que permiten al usuario del equipo identificar los límites operativos prácticos de un fluido hidráulico. Esta información puede utilizarse para determinar el rango de temperatura de funcionamiento de un fluido específico en una bomba.

Selección de fluidos

La viscosidad es un criterio importante en la selección de un fluido hidráulico. A bajas temperaturas, una viscosidad excesiva puede provocar una baja eficiencia mecánica, dificultades en el arranque y desgaste. A medida que aumenta la temperatura del aceite, la viscosidad disminuye, lo que resulta en una menor eficiencia volumétrica, sobrecalentamiento y desgaste. Los fabricantes de bombas y motores suelen proporcionar recomendaciones sobre fluidos hidráulicos en su documentación, que abarca:

La viscosidad máxima de arranque bajo carga
El rango de viscosidad óptima de funcionamiento
La viscosidad máxima y mínima de funcionamiento

La selección del grado de viscosidad óptimo del fluido proporcionará el desempeño más eficiente de la bomba a temperaturas de funcionamiento estándar, minimizando así el tiempo perdido y los costos de energía y combustible para el operador.

Los trabajos recientes de los autores han dado lugar al desarrollo de un nuevo estándar de desempeño para fluidos hidráulicos, denominado Fluido Hidráulico de Máxima Eficiencia (FHME, por sus siglas en inglés). Los fluidos FHME están formulados para proporcionar una combinación de alto índice de viscosidad y buena estabilidad al corte, lo que permite que todo tipo de bombas hidráulicas ofrezcan mayor potencia con un menor consumo de energía.

Eficiencia de la bomba

El desempeño de las bombas y motores hidráulicos es un factor crítico para la confiabilidad general del sistema hidráulico. La eficiencia hidráulica se compone de dos elementos: la eficiencia volumétrica y la eficiencia hidromecánica.

La eficiencia hidromecánica se relaciona con las pérdidas por fricción dentro de un componente hidráulico y la cantidad de energía necesaria para generar flujo de fluido. La eficiencia volumétrica se relaciona con las pérdidas de flujo dentro de un componente hidráulico y el grado de fugas internas. Ambas propiedades dependen en gran medida de la viscosidad.

La eficiencia hidromecánica disminuye a medida que aumenta la viscosidad del fluido debido a la mayor resistencia al flujo. Por el contrario, la eficiencia volumétrica aumenta a medida que aumenta la viscosidad del fluido debido a la reducción de las fugas internas. La eficiencia global de una bomba hidráulica es el producto de las eficiencias mecánica y volumétrica [Ecuación 1], y ambos factores deben considerarse simultáneamente.

Ecuación 1

Como se muestra en la Figura 1, existe un rango de viscosidad del fluido hidráulico que optimiza la eficiencia general.

Figura 1. Relación entre la viscosidad y la eficiencia de la bomba

Cavitación, desgaste y sobrecalentamiento del sistema

A bajas temperaturas de funcionamiento, la alta viscosidad afecta negativamente a la eficiencia mecánica del sistema hidráulico, lo que provoca una reducción del desempeño del sistema, falta de lubricación y cavitación.

La viscosidad influye en la cavitación, ya que los fluidos de alta viscosidad pueden generar una caída de presión excesiva en la entrada de la bomba. La cavitación provoca fatiga y descamación del metal, lo que reduce la vida útil de la bomba y genera partículas metálicas abrasivas en el fluido. Una viscosidad excesiva en condiciones de baja temperatura puede provocar una falta de suministro de fluido a la bomba, lo que podría resultar en su falla.

Además, la pérdida de la película lubricante genera altas temperaturas de contacto, un desgaste excesivo y, en última instancia, provoca el aferramiento de la bomba.

Por consiguiente, los fabricantes de bombas especifican un límite máximo de viscosidad del fluido al arrancar para evitar la cavitación. Un mal diseño o un tamaño insuficiente de la entrada de fluido y de los filtros agravan los problemas asociados a la alta viscosidad.

Una de las funciones esenciales de un fluido hidráulico es proporcionar una película lubricante que reduzca el desgaste de los componentes móviles de la bomba. La eficacia de esta película depende del equilibrio entre la viscosidad, las velocidades de deslizamiento, las cargas y la estabilidad del fluido dentro de la bomba hidráulica.

A medida que aumenta la temperatura y la película lubricante se adelgaza, esta se rompe, permitiendo el contacto metal con metal, el desgaste interno de la bomba y un calentamiento adicional del fluido. El desgaste se produce principalmente en las zonas de la bomba que son críticas para la eficiencia volumétrica. La pérdida de eficiencia volumétrica obliga a la bomba a trabajar más para producir el caudal requerido.

Al mismo tiempo, las altas temperaturas comprometen la eficiencia volumétrica debido a que el fluido de baja viscosidad elude las holguras críticas de la bomba. Por lo tanto, una viscosidad insuficiente a causa de las altas temperaturas crea un ciclo destructivo de aumento de temperatura, desgaste acelerado y mayor fuga interna.

Figura 2. Viscosidad vs. desempeño del fluido

Los fluidos multigrado ofrecen mejoras

Los fluidos hidráulicos multigrado se recomiendan con frecuencia para equipos cuyas temperaturas de funcionamiento pueden variar considerablemente. Los fluidos hidráulicos multigrado de alto índice de viscosidad (IV) permiten un funcionamiento eficiente del equipo en un rango de temperaturas más amplio que los aceites minerales estándar. Además, se recomiendan para eliminar los cambios de aceite estacionales, ya que un fluido multigrado formulado correctamente ofrece un desempeño adecuado tanto en invierno como en verano.

Los aceites FHME ofrecen mejores propiedades de flujo a bajas temperaturas que un aceite hidráulico monogrado de grado de viscosidad equivalente a temperaturas similares. Si bien las mejores características de flujo proporcionan un funcionamiento más suave y una mayor productividad, la principal ventaja de desempeño de un aceite FHME radica en su eficacia para mantener la eficiencia de bombeo a altas temperaturas.

Las fugas internas de la bomba aumentan con el incremento de la temperatura y la disminución de la viscosidad. Un fluido con un índice de viscosidad (IV) elevado disminuye su viscosidad a un ritmo menor que un fluido estándar monogrado, lo que contribuye a reducir las fugas y mejorar la eficiencia de la bomba. La relación entre la viscosidad y la temperatura, así como las ventajas viscométricas de los fluidos hidráulicos multigrado con un alto IV, se muestran en la Figura 3.

Figura 3. Relación viscosidad-temperatura para aceites de bajo y alto índice de viscosidad

Técnicas de selección de fluidos

La National Fluid Power Association (NFPA, Asociación Nacional de Fluidos de Potencia) ha publicado un sistema de selección de grados de viscosidad destinado a ayudar a los usuarios de equipos, basado en las recomendaciones de los principales fabricantes de bombas hidráulicas.

Los grados de viscosidad óptimos se seleccionan en función del concepto de ventana de temperatura operativa (TOW, por sus siglas en inglés), que corresponde al rango de temperatura en el que la viscosidad del aceite proporciona un desempeño aceptable en la bomba (normalmente de 13 a 860 mm²/s). Los detalles sobre el uso del sistema ALTOW se encuentran en la práctica estándar NFPA T2.13.13-2024, disponible en el sitio web de National Fluid Power en www.nfpa.com .

Ventajas de desempeño de los aceites de alto índice de viscosidad

Los grados de viscosidad más comunes y ampliamente disponibles son ISO 32, 46 y 68. Las siguientes secciones comparan el desempeño de las versiones monogrado (índice de viscosidad bajo) y multigrado (índice de viscosidad alto) de estos tres fluidos. Es importante tener en cuenta que, para lograr un desempeño óptimo en sistemas hidráulicos de alta presión, se deben utilizar fluidos estables al corte.

Los fluidos con baja estabilidad al corte están disponibles comercialmente y suelen utilizarse en sistemas de baja presión o en otras aplicaciones, como transmisiones automáticas (ATF). Los fluidos multigrado seleccionados para la comparación en este trabajo están destinados a sistemas hidráulicos de alta presión y presentan una excelente estabilidad al corte, cumpliendo con la definición del nivel de desempeño FHME.

En la Tabla 1 se describe cada uno de estos fluidos. Consulte a su proveedor para obtener información sobre la estabilidad al corte de sus productos y verificar las especificaciones de desempeño.

Tabla 1. Propiedades viscométricas de los aceites de prueba.

Ventaja de desempeño a bajas temperaturas

Se han realizado cálculos sobre la energía adicional, o pérdidas hidromecánicas (en kW), necesarias para operar una bomba de paletas de equipo móvil con un desplazamiento de 10.8 ml/rev. a 800 rpm y 100 bares, condiciones típicas de las que prevalecen al arrancar. Estos datos se muestran en la Figura 4.

Figura 4. Pérdidas hidromecánicas en función de la temperatura, el grado ISO y el IV

Tabla 2. Tiempo adicional requerido para que un fluido de IV 100 entregue el mismo volumen que un fluido de IV 200* a 0 ºC, 200 bares y 2000 rpm.

Tomando como ejemplo los fluidos ISO VG 46 a 0 ºC, los datos de la Tabla 4 indican que el fluido monogrado requiere un 125 por ciento más de energía (18 kW frente a 8 kW) que el FHME para superar la resistencia viscosa.

Tabla 3. Tiempo adicional requerido para que un fluido de IV 100 entregue el mismo volumen que un fluido de IV 200* a 100 ºC, 200 bares y 2000 rpm.

Tabla 4. Ahorro de energía con aceites de alto índice de viscosidad* a 80 ºC para suministrar el mismo volumen (200 bares, 2000 rpm)

La potencia teórica de entrada para la bomba en este ejemplo es de solo 1.4 kW, suponiendo que no se produzcan pérdidas de energía hidromecánica (energía necesaria para hacer girar el rotor). La energía adicional necesaria para superar la mayor viscosidad de los fluidos de IV 100 aumenta significativamente a temperaturas inferiores a 40 °C, y drásticamente por debajo de 0 °C.

Ventaja de desempeño a alta temperatura

Los autores han calculado el caudal real y la potencia total requerida para bombas de paletas, basándose en un cuerpo determinado y utilizando cuatro cartuchos de diferentes tamaños. Los conjuntos de cartuchos internos (rotores y paletas) se dimensionan para proporcionar un caudal específico controlando el volumen de descarga por revolución.

Los cálculos se realizaron a una presión de 200 bares, una velocidad de 2000 rpm y a dos temperaturas: 80 ºC y 100 ºC.

Ventaja en el caudal: ahorro de tiempo

Conociendo el caudal real Qa, se puede determinar el tiempo necesario para llenar un motor lineal de volumen V. Un motor lineal es típicamente un cilindro hidráulico que se llena de fluido, desplazando una varilla que genera movimiento bajo carga.

Ecuación 2

Calculando la relación del tiempo requerido para dos aceites con el mismo grado ISO VG pero diferente IV, se puede estimar la ventaja de tiempo del aceite con alto IV para suministrar el mismo volumen de fluido. En este trabajo, los autores utilizaron la viscosidad de los aceites con alto IV después de la prueba de corte sónico de 40 minutos para calcular el caudal real (Tabla 1). Esto representa una buena estimación de la viscosidad del aceite usado en un sistema de bomba de paletas o de pistón de 2000 psi.

Ecuación 3

El beneficio que ofrecen los aceites de alto índice de viscosidad disminuye al aumentar el tamaño del cartucho y la clasificación ISO. Esto se debe a que, cuanto mayor sea el cartucho, menor será la fuga interna en relación con el caudal de la bomba.

Los estudios de campo demostraron que las temperaturas máximas de funcionamiento en equipos hidráulicos móviles suelen superar los 100 °C. Por lo tanto, también se calcularon los caudales de esta serie de bombas a esta temperatura elevada. Los datos de la Tabla 4 indican que los fluidos de alto IV a 100 °C proporcionan un caudal entre un 5 % y un 30 % mayor, lo que permite que el cilindro se llene más rápidamente.

Al comparar los datos a 80 ºC con los datos a 100 ºC, se puede observar que los fluidos con alto IV muestran una ventaja aún mayor a medida que la temperatura del fluido aumenta por encima de los 80 ºC.

Ventaja en eficiencia: ahorro de costos

Conociendo la potencia total requerida para suministrar la potencia hidráulica y superar las pérdidas hidromecánicas, se puede determinar la energía necesaria para llenar el motor lineal de volumen V.

Ecuación 4

Los autores calcularon la potencia necesaria para accionar la bomba a 80 °C y 100 °C, utilizando fluidos con diferentes índices de viscosidad. Esto les permitió determinar la diferencia de energía requerida para bombear el mismo volumen de fluido a una presión y velocidad de bombeo determinadas.

Ecuación 5

Los datos de la Tabla 4 indican que el fluido multigrado de IV 200 a 80 ºC, 200 bares y 2000 rpm puede ahorrar entre un dos y un veinte por ciento en consumo de energía en comparación con el fluido de IV 100.

Tabla 5. Ahorro de energía con aceites de alto IV* a 100 ºC para entregar el mismo volumen

De forma similar al enfoque adoptado en la sección de Ventajas en el Caudal, los autores también calcularon el consumo de energía a 100 °C para identificar el ahorro energético potencial a una temperatura cercana a la temperatura máxima de funcionamiento típica. Los datos de la Tabla 5 indican que el fluido de IV 200 a 100 °C, 200 bares y 2000 rpm puede generar ahorros de entre el 5 % y el 28 % en el consumo de energía.

A medida que aumenta la temperatura del fluido, se amplifica el ahorro de energía atribuido a los fluidos de alto índice de viscosidad.

Comparaciones de costos operativos relativos

Los datos de ahorro energético relativo presentados en este artículo pueden utilizarse para generar estimaciones de ahorro de costos para aplicaciones específicas. Consideremos el caso de una bomba de paletas móvil que funciona en las condiciones típicas de operación de equipos de construcción móviles: 200 bar, 2000 rpm y 80 °C. Dependiendo del tamaño de la bomba, el ahorro potencial de combustible diésel oscila entre 200 y 300 galones al año. Los cálculos de ahorro de costos pueden realizarse mediante la siguiente fórmula:

Ecuación 6

Ecuación 7

Ecuación 8

En las tablas 6 y 7 se presentan los cálculos de ahorro de combustible y costos para un fluido hidráulico ISO 46 en una sola bomba y una flota de maquinaria de construcción de tamaño mediano.

Tabla 6. Ahorro de combustible y costos: bomba de paletas móvil simple a 200 bar, 2000 rpm, 80 °C.

Supuestos: 8 horas/día, 250 días/año, combustible diésel en EE. UU. a USD $1.80/galón. Ahorro de costos para fluido de grado 46 FHME IV 200 en comparación con fluido monogrado.

Tabla 7. Ahorro de combustible y costos – Flota de equipos de construcción – 100 unidades [200 bombas de paletas móviles a 200 bar, 2000 rpm, 80 °C]

Supuestos: 8 horas/día, 150 días/año, combustible diésel en EE. UU. a USD $1.80/galón. Ahorro de costos para un fluido grado 46 FHME IV 200 en comparación con fluido monogrado.

La comparación del desempeño a baja y alta temperatura de seis fluidos hidráulicos con tres grados ISO diferentes (VG 32, 46 y 68) y dos índices de viscosidad diferentes (100 y 200) demostró las siguientes conclusiones:

Los aceites de alto IV que cumplen con la definición del nivel de desempeño FHME contribuyeron a reducir significativamente las pérdidas hidromecánicas a temperaturas inferiores a 40 °C. La mejora en la eficiencia hidromecánica puede superar el 50 % a la temperatura de arranque, lo que se traduce en un menor consumo de energía, tiempos de calentamiento más cortos y un menor desgaste.

A temperaturas de 80 °C y 100 °C, los cálculos realizados para una serie de bombas de paletas demostraron que los aceites de alto IV proporcionan un mayor caudal y una mejor eficiencia general.

Esto se traduce en una mayor productividad de los equipos, así como en costos operativos significativamente menores para el usuario gracias al menor consumo de combustible. Se pueden esperar ahorros de energía y combustible de hasta un 20 % en condiciones de operación estándar cuando se utilizan aceites tipo FHME. Se pueden lograr mayores ganancias de productividad y ahorros a temperaturas máximas de operación.

El ahorro de costos asociado al uso de fluidos hidráulicos de máxima eficiencia en una bomba de paletas simple es de aproximadamente 400 dólares al año por bomba. Se estima que esta ventaja podría generar un ahorro anual de aproximadamente 50,000 dólares para una flota de equipos de tamaño medio.

Conclusión

El ahorro de costos para aplicaciones específicas puede calcularse a partir de los datos. El ahorro asociado al uso de fluidos hidráulicos de máxima eficiencia en una bomba de paletas simple es de aproximadamente 400 dólares al año por bomba. Se estima que esta ventaja generaría un ahorro anual de aproximadamente 50,000 dólares para una flota de equipos de tamaño medio (250 activos).

Referencias:

Hamaguchi, H. «Un nuevo nivel de alto desempeño para fluidos hidráulicos que proporciona ahorro de energía y reducción de emisiones». Actas de la 9.ª Conferencia Anual de Combustibles y Lubricantes de Asia , marzo de 2005, Pekín, China. La información también se puede consultar en línea en www.FHME.com .
PW Michael, SN Herzog, TE Marougy, “Criterios de selección de viscosidad de fluidos para bombas y motores hidráulicos”. Documento NCFP I 00-9.12 presentado en la Exposición Internacional de Transmisión de Potencia y Conferencia Técnica. 4-6 de abril de 2000, Chicago, IL, EE. UU.
GE Totten, Manual de tecnología de fluidos hidráulicos, Marcel Dekker, Nueva York, 2000, pág. 27.
I. Makkonen, “Desempeño de aceites hidráulicos estacionales y anuales en maquinaria forestal”, Nota técnica FERIC TN-251, Instituto Canadiense de Investigación Técnica en Ingeniería Forestal, 12/96.
DG Placek y CW Hyndman, “Ventajas en costo y desempeño de los fluidos hidráulicos multigrado”, Actas de la 7.ª Conferencia Anual de Combustibles y Lubricantes de Asia, 2/01, Bangkok, Tailandia.
Práctica recomendada T2.13.13-2002 de la NFPA. “Criterios de selección de viscosidad de fluidos para motores y bombas hidráulicas”. 2002. www.nfpa.com
SN Herzog, CD Neveu, DG Placek, “Predicción de la eficiencia de bombeo de fluidos hidráulicos para maximizar el desempeño del sistema”. NCFP I 02-10.8/ SAE OH 2002-01-1430 presentado en la reunión IFPE/SAE Off-Highway, del 19 al 23 de marzo de 2002, Las Vegas, NV, EE. UU.