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En los sistemas hidráulicos industriales, la bomba suele montarse en la parte superior del depósito que contiene el fluido del sistema. La tubería de aspiración (también denominada tubería de entrada) conecta la entrada de la bomba con el aceite del depósito.
El flujo de fluido desde el depósito hasta la bomba puede considerarse como un sistema hidráulico independiente. En este subsistema, la presión inferior a la atmosférica generada por la bomba constituye la resistencia al flujo, y la energía que impulsa el fluido proviene de la presión atmosférica. La atmósfera, actuando sobre la superficie del aceite en el depósito, funciona como un acumulador.
Figura 5-1 Instalación estándar de la bomba: bomba en la parte superior y tubería de aspiración por debajo del nivel de aceite. La presión atmosférica que actúa sobre la superficie del aceite es la que empuja el aceite hacia arriba, introduciéndolo en la bomba.
Generalmente pensamos que el aire no tiene peso, pero la atmósfera de aire que rodea la Tierra sí ejerce presión. Torricelli, inventor del barómetro, demostró que la presión atmosférica puede medirse mediante una columna de mercurio. Al invertir un tubo lleno de mercurio en una cubeta de mercurio, descubrió que, al nivel del mar, la columna de mercurio que la presión atmosférica puede sostener alcanza una altura de 29,92 pulgadas (760 mm). Por tanto, en condiciones estándar, la presión atmosférica al nivel del mar equivale a una columna de mercurio de 29,92 pulgadas (760 mm). Por supuesto, cualquier ubicación situada por encima del nivel del mar tendrá una presión atmosférica menor.
La presión hidráulica se expresa normalmente en psi o bar, pero la presión atmosférica se mide habitualmente en in.Hg (pulgadas de mercurio) o mmHg. A 68 °F (20 °C) y 36 % de humedad relativa, la presión atmosférica al nivel del mar equivale a 29,92 in.Hg o 760 mmHg, lo que corresponde a 14,7 psia o 1,01 bar. Es importante destacar que la unidad bar no se utiliza para definir la presión atmosférica; en cambio, la presión atmosférica estándar es de 101 000 N/m².
Al convertir entre in.Hg y psi, tenga en cuenta que 1 psia = 2,04 in.Hg y que 1 bar ≈ 752 mmHg. Por lo tanto, aproximadamente: 1 psia ≈ 2 in.Hg o 1 bar ≈ 750 mmHg.
Tanto la presión absoluta como la presión manométrica pueden utilizarse para medir la presión en un sistema hidráulico.
La presión absoluta se mide a partir del punto de presión cero —es decir, del punto de ausencia total de presión—. La unidad puede ser psi (bar) o in.Hg (mmHg). La presión absoluta se indica añadiendo el sufijo «a»: psia (psi absolutos), bara.
La presión manométrica se mide a partir del punto de referencia de la presión atmosférica. La unidad es psi (bar). La presión absoluta equivale a la presión manométrica más la presión atmosférica estándar. Ejemplo: si un sistema indica 100 psig (6,9 bar manométricos) y la presión atmosférica estándar es 14,7 psia (1 bar), la presión absoluta es 114,7 psia (7,9 bar absolutos). Para distinguir ambas, la presión manométrica se escribe como psig y la absoluta como psia.
Cuando la bomba no está en funcionamiento, el lado de entrada del sistema se encuentra en equilibrio: la diferencia de presión entre la bomba y la atmósfera es cero, lo que significa que no hay flujo. Para que la bomba suministre aceite a su conjunto giratorio, al ponerse en marcha genera una presión inferior a la atmosférica —el sistema se desequilibra— y comienza el flujo.
La presión que la atmósfera ejerce sobre el fluido cumple dos funciones:
La mayor parte de la presión atmosférica se utiliza para acelerar el fluido hacia la bomba, pero la primera tarea debe realizarse primero: suministrar fluido a la entrada de la bomba. Si en esta etapa se consume demasiada presión atmosférica, no quedará suficiente presión para acelerar el fluido hacia el conjunto giratorio. Esto provoca que la bomba quede sin alimentación («starvation») y ocurre lo que se conoce como cavitación.
La cavitación es la formación y colapso de cavidades de vapor en un líquido. Daña la bomba de dos maneras:
En el lado de entrada de la bomba, se forman cavidades de vapor en todo el fluido. Esto reduce la eficacia de la lubricación y acelera el desgaste. Cuando estas cavidades alcanzan la zona de alta presión en la salida de la bomba, las paredes de las cavidades se comprimen y colapsan violentamente, liberando una enorme cantidad de energía que "desgasta" las superficies metálicas, tal como un escultor que utiliza un martillo y un cincel sobre la piedra. Si se permite que la cavitación continúe, la vida útil de la bomba se acorta y los residuos generados por la cavitación pueden desplazarse a otras partes del sistema y dañar otros componentes.
Figura 5-5: Daño por cavitación en el alojamiento de la bomba. El patrón microscópico de picaduras es causado por la implosión repetida de cavidades de vapor en la superficie metálica.
El signo más evidente de la cavitación es el ruido: cuando las cavidades colapsan, generan vibraciones de alta amplitud que se propagan por todo el sistema, y la bomba hidráulica emite un sonido agudo y penetrante. Cuando ocurre la cavitación, como las cámaras de la bomba no están completamente llenas de fluido, el caudal disminuye y la presión del sistema se vuelve inestable.
La cavitación se forma en un líquido porque este hierve, pero esta ebullición no está causada por calor, sino porque el líquido alcanza una presión absoluta suficientemente baja.
Todas las moléculas de un líquido están en constante movimiento, aunque no todas a la misma velocidad. Las moléculas que se mueven más rápidamente cerca de la superficie intentan escapar al espacio situado por encima, a pesar de la atracción ejercida por las moléculas circundantes. La fuerza que deben superar estas moléculas de mayor velocidad para escapar a la atmósfera es la presión de vapor del líquido.
Si el recipiente del líquido está sellado, las moléculas que se mueven rápidamente entran en el espacio situado por encima del líquido. Cuando ese espacio alcanza la saturación de vapor, las moléculas chocan entre sí y regresan al estado líquido. El proceso mediante el cual las moléculas abandonan el líquido se denomina evaporación; el proceso mediante el cual regresan al estado líquido se denomina licuefacción. Cuando las velocidades de evaporación y licuefacción son iguales, se alcanza el equilibrio y la presión generada por el vapor es la presión de vapor de dicho líquido. La presión de vapor se expresa normalmente en unidades de presión absoluta, en pulgadas de mercurio (in.Hg).
La presión de vapor depende de la temperatura. A medida que la temperatura aumenta, las moléculas del líquido adquieren más energía y se mueven más rápidamente, lo que provoca un aumento de la presión de vapor. Cuando la presión de vapor iguala a la presión atmosférica, las moléculas del líquido pueden pasar libremente a la atmósfera: este fenómeno se denomina ebullición. El agua hierve a nivel del mar a 212 °F (100 °C), porque a esta temperatura su presión de vapor iguala a la presión atmosférica.
Un líquido también puede hacerse hervir reduciendo la presión que actúa sobre él. Cuando la presión reducida iguala la presión de vapor del líquido, las moléculas del líquido pueden entrar libremente en el espacio situado por encima del líquido. El agua a 100 °F (37,2 °C) tiene una presión de vapor de 2 pulg. Hg (0,068 bar). Si un recipiente con agua a 100 °F se conecta a una bomba de vacío y la presión absoluta interna desciende a 2 pulg. Hg (0,068 bar), el agua hierve. Las bombas que manejan un líquido suelen experimentar este tipo de ebullición.
El aceite hidráulico al nivel del mar contiene aproximadamente un 10 % de aire disuelto. Este aire existe disuelto en el líquido: es invisible y no aumenta de forma apreciable el volumen del líquido. La capacidad del aceite hidráulico o de cualquier líquido para disolver aire disminuye a medida que disminuye la presión que actúa sobre el líquido. Por ejemplo, si se coloca una taza de aceite hidráulico bajo presión atmosférica en un vacío, el aire disuelto se transforma en burbujas y escapa de la solución. Durante la cavitación, el aire disuelto escapa del aceite y provoca daños en la bomba hidráulica.
El aire arrastrado es aire presente en el líquido en estado no disuelto, es decir, en forma de burbujas. Si una bomba aspira ocasionalmente aceite que contiene aire arrastrado, las burbujas de aire producen efectos similares a los de la cavitación sobre la bomba. Sin embargo, como este fenómeno no está relacionado con la presión de vapor del líquido, lo denominamos pseudo-cavitación.
Si hay fugas en la línea de succión o falla el sello del eje de la bomba, casi siempre hay aire atrapado en el sistema. Dado que la presión en el lado de entrada de la bomba suele ser inferior a la presión atmosférica, cualquier abertura en esa zona hará que el aire sea aspirado hacia el aceite y hacia la bomba. Además, cualquier burbuja de aire atrapado que no pueda escapar del depósito también entrará en la bomba.
La cavitación daña gravemente tanto a la bomba como al sistema. Por este motivo, los fabricantes de bombas especifican límites para el lado de entrada de sus productos. En general, los fabricantes de bombas hidráulicas industriales de desplazamiento positivo especifican que la presión en la entrada de la bomba debe ser inferior a la presión atmosférica para permitir que el fluido se inyecte en el conjunto giratorio de la bomba. Sin embargo, esta especificación de presión normalmente no se indica en unidades de presión absoluta, sino en términos de vacío.
Un vacío es cualquier presión inferior a la atmosférica. El vacío es un concepto confuso porque su punto de partida coincide con el de la presión manométrica (presión atmosférica), pero los valores se cuentan hacia abajo en unidades de pulgadas de mercurio (in.Hg) o milímetros de mercurio (mmHg).
0 in (0 mm) de vacío = presión atmosférica o presión manométrica cero. 29,92 in.Hg (760 mmHg) de vacío = vacío completo o presión absoluta cero.
Como se muestra en el diagrama, una cubeta de mercurio conectada mediante un tubo de vidrio a un recipiente sometido a presión atmosférica: dado que la presión dentro del recipiente equivale a la presión atmosférica que actúa sobre la cubeta, el mercurio no asciende por el tubo de vidrio. La altura nula de la columna de mercurio indica que el recipiente no se encuentra en vacío.
Si el recipiente se evacua hasta que la presión interna descienda 10 pulg. Hg (254 mmHg), la presión atmosférica que actúa sobre la superficie del depósito puede entonces soportar 10 pulg. (254 mm) de mercurio; el vacío medido es de 10 pulg. Hg (254 mmHg). Si el recipiente se evacua hasta alcanzar el vacío completo (presión absoluta cero), la presión atmosférica puede soportar 29,92 pulg. (760 mm) de mercurio; el vacío medido es de 29,92 pulg. Hg (760 mm).
vacío de 0 pulg. (0 mm) de mercurio = presión atmosférica = presión manométrica cero. Vacío de 29,92 pulg. Hg (760 mm) = vacío completo = presión absoluta cero.
Figura 5-9: Medición del vacío con un manómetro de mercurio. Los tres estados, de arriba abajo: atmosférico (vacío cero), vacío parcial (10 pulg. Hg) y vacío completo (29,92 pulg. Hg = 0 psia).
Un manómetro de vacío está calibrado de 0 a 30 in.Hg (0–760 mmHg), con cada división equivalente a 1 in.Hg. A nivel del mar, para convertir la lectura de un manómetro de vacío en presión absoluta, basta con restar la lectura de vacío (en in.Hg) de 30 in.Hg (760 mmHg). Por ejemplo, una lectura de vacío de 7 in.Hg (177 mmHg) equivale a una presión absoluta de 23 in.Hg (583 mmHg).
Los fabricantes de bombas utilizan unidades de vacío para especificar los requisitos de entrada porque están relacionadas con el nivel del mar: cuando la bomba se utiliza a altitudes superiores al nivel del mar, debe tenerse en cuenta la menor presión atmosférica existente a dicha altitud.
Ejemplo: Si un fabricante especifica que la presión de vacío máxima a la entrada no debe superar los 7 in.Hg (177 mmHg), esto significa que el fabricante requiere al menos 23 in.Hg (583 mmHg) de presión absoluta (o presión atmosférica) en la entrada de la bomba para acelerar el fluido hacia el conjunto giratorio. Si la presión absoluta en la entrada de la bomba cae por debajo de 23 in.Hg (583 mmHg), la bomba podría dañarse, aunque esto depende del factor de diseño que el fabricante haya previsto para la clasificación de vacío. Todas las especificaciones publicadas para la entrada de la bomba suponen la velocidad nominal y aceite mineral. Si la bomba opera a una velocidad distinta o utiliza un fluido diferente, las especificaciones deben ajustarse.
El vacío máximo admisible de la bomba depende del fluido que se esté bombeando. Los requisitos técnicos del lado de entrada se calculan en función de la densidad relativa y la presión de vapor del aceite mineral. Si se utilizan fluidos hidráulicos resistentes al fuego, los cambios en la densidad relativa y la presión de vapor afectarán el vacío máximo admisible en la entrada.
La densidad relativa es la relación entre el peso de un líquido y el peso de otro líquido. Más concretamente, es la relación entre el peso de un volumen fijo de líquido y el peso del mismo volumen de agua. A 60 °F (15,6 °C), 1 pie³ de agua pesa 62,4 libras (28,3 kg). Al dividir el peso del aceite entre el peso del agua, encontramos que el aceite pesa el 90 % del peso del agua, es decir, la relación de pesos es 1 (agua) a 0,90 (aceite mineral); por lo tanto, la densidad relativa (DR) del aceite mineral es 0,90.
Los requisitos del lado de entrada de la bomba se calculan para aceite petróleo con gravedad específica (SG) de 0,87 a 0,90. Para los fluidos resistentes al fuego a base de éster fosfórico, la SG aumenta un 30 %, hasta aproximadamente 1,15. La gravedad específica de los fluidos hidráulicos a base de agua varía entre 0,93 (emulsión HFB) y 1,08 (glicol-agua). Para acelerar estos fluidos más densos hacia la bomba, se requiere una presión más elevada en la entrada de la bomba. Por lo tanto, el vacío máximo admisible debe reducirse ligeramente.
El aceite petróleo y los fluidos resistentes al fuego a base de éster fosfórico presentan, a las temperaturas normales de funcionamiento hidráulico, presiones de vapor muy bajas; sin embargo, los fluidos hidráulicos a base de agua son distintos. Estos contienen una alta proporción de agua. La presión de vapor tanto de la emulsión HFB como de la mezcla glicol-agua puede alcanzar varios pulgadas de mercurio, mientras que la del aceite petróleo y de los fluidos sintéticos es solo una fracción de pulgada de mercurio. Por consiguiente, los fluidos a base de agua son más propensos a la evaporación y a la cavitación.
Para evitar que los fluidos a base de agua sufran cavitación, los fabricantes de bombas exigen una presión suficiente en la entrada de la bomba para acelerar el fluido de trabajo hacia su interior. Este requisito se puede cumplir reduciendo el vacío máximo admisible.
Figura 5-13 Comparación de presión de vapor. Los fluidos a base de agua tienen una presión de vapor mucho mayor que el aceite mineral a la misma temperatura, lo que los hace más propensos a la cavitación si el vacío de entrada es demasiado elevado.
El personal de mantenimiento es el más probable en detectar tempranamente la aparición de cavitación en una bomba o la entrada de aire, ya que su familiaridad con la máquina les permite percibir los primeros síntomas de una falla.
El signo más evidente de cavitación o ingestión de aire en una bomba hidráulica es un sonido agudo, pero existen diferencias sutiles: una bomba que sufre cavitación produce un sonido agudo constante; este sonido puede deberse al colapso de burbujas de tamaño similar. Cuando la bomba aspira aire, el sonido varía considerablemente: si entra una pequeña cantidad de aire, el ruido se asemeja a un sonido de clic o al de un fallo en un rodamiento; si entra una gran cantidad de aire, genera un extraño sonido de golpeteo o crepitación.
Una forma más fiable de distinguir la cavitación de la ingestión de aire consiste en utilizar un vacuómetro para determinar la presión absoluta en la entrada de la bomba. Reste la lectura de vacío a la presión atmosférica; si el valor de presión absoluta es insuficiente, es posible que esté ocurriendo cavitación.
Para nuevos sistemas hidráulicos: si la bomba experimenta cavitación, puede deberse a un diseño deficiente de la tubería de aspiración o a una viscosidad del aceite demasiado alta. El uso de aceite con la viscosidad adecuada o el aumento del diámetro de la tubería de aspiración para reducir la caída de presión en la tubería ayudará a mejorar la cavitación. Para un sistema existente correctamente diseñado: si la bomba experimenta cavitación, puede deberse a que la tubería de aspiración está obstruida por residuos, papel o pequeños animales, o bien al filtro de entrada, que puede estar demasiado sucio y carecer de derivación, o la derivación no se abre lo suficiente.
En las bombas hidráulicas, el «cebado» consiste en llenar el mecanismo de bombeo con fluido. Una bomba sin cebar contiene aire o «bolsas de aire». Antes de que comience la acción de bombeo, este aire debe eliminarse de la tubería de aspiración y de la cavidad de la bomba. Si se omite este paso, al arrancar la bomba hidráulica sin cebar, puede sufrir daños permanentes en cuestión de minutos debido a la falta de lubricación.
Una bomba cuya salida está conectada directamente al depósito mediante una válvula direccional puede, por lo general, expulsar fácilmente el gas residual al depósito durante el arranque. Si la bomba debe expulsar el aire interno a través de la válvula de alivio, esta operación puede no ser posible, ya que una bomba hidráulica industrial típica es un compresor de aire muy deficiente.
Para expulsar el aire residual de una bomba sin cebado, afloje la conexión de tubería en la salida de la bomba, gire lentamente la bomba hasta que el aceite salga a chorro por la conexión, lo que indica que la bomba está cebada, y luego apriete la conexión. El aire residual también puede expulsarse descargando la válvula de alivio.
Las bombas hidráulicas normalmente solo requieren cebado al poner en marcha un sistema nuevo o tras realizar mantenimiento en el lado de aspiración de un sistema existente.
Los siguientes términos y fórmulas se utilizan al trabajar con las condiciones de entrada de la bomba:
La condición en la que la entrada de la bomba se encuentra por debajo del nivel del fluido en el depósito. Con aspiración inundada, la altura de columna de fluido (gravedad) aporta energía adicional para impulsar el fluido hacia la bomba.
La presión en la base de una columna de fluido. Cuando la entrada de la bomba está por debajo del nivel del fluido, la presión de altura proporciona una fuente de energía adicional para la bomba. Fórmulas de la presión de altura:
Presión de altura (en pulg. Hg) = Altura (pulg.) × 0,036 × Gravedad específica ÷ 0,491
Presión de altura (en mmHg) = Altura (mm) × 0,0288 × Gravedad específica
La altura equivalente de columna expresada en unidades de longitud, por debajo de un punto de referencia determinado. Fórmula de la presión de elevación (en pulg. Hg):
Presión de elevación (en pulg. Hg) = Altura (pulg.) × 0,036 × Gravedad específica ÷ 0,491
Presión de elevación (en mmHg) = Altura (mm) × 0,0288 × Gravedad específica
La acción que realiza una bomba hidráulica para crear una diferencia de presión entre ella misma y la atmósfera.
La presión absoluta del fluido en la entrada de la bomba.
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