Calentamiento en los sistemas hidráulicos de implementos agrícolas
Publicado: 23 Jul 2023, 15:11
CALENTAMIENTO EN LOS SISTEMAS HIDRÁULICOS DE LOS IMPLEMENTOS/MAQUINARIAS AGRÍCOLAS ARRASTRADOS Y ACCIONADOS POR TRACTOR O ACCIONADOS POR MOTOR ESTACIONARIO PROPIO DEL IMPLEMENTO.
A. CONSIDERACIONES GENERALES:
Es muy común que se planteen problemas de temperatura en el fluido de los circuitos hidráulicos de los implementos agrícolas y consecuentemente a esto, el consumo innecesario del combustible utilizado para generar la energía que no se utiliza para el funcionamiento del implemento y se malgasta generando calor, que, generalmente, debe ser disipado por dispositivos como radiadores o intercambiadores de calor, contribuyendo al daño ambiental en dos maneras:
1. Por la combustión innecesaria del exceso de combustible necesario.
2. Generando calentamiento innecesario del aire atmosférico, que por poco que parezca, si lo multiplicamos por la cantidad de máquinas trabajando en todo el mundo, también es un agregado más al calentamiento global de la atmósfera.
Mucho más directamente significativas son las cifras económicas si tenemos en cuenta los elevados costos de los combustibles y consideramos los valores de toda una campaña, veremos costos anuales muy importantes. He aquí un ejemplo:
• Si tenemos el caso, como veremos más adelante, de un implemento/maquinaria que desperdicia (así es como llamaremos en adelante a este mal empleo de la energía) 10 HP en potencia hidráulica (valor que es más común de lo que parece), producirá un consumo extra de alrededor de 2 lts. de combustible por hora de trabajo (tomando en cuenta los buenos rendimientos de los motores diésel que actualmente impulsan la mayoría de los tractores y/o maquinaria agrícola). En una campaña anual promedio de 1000 horas de trabajo desperdiciaría 2.000 lts de gas-oil.
B. RAZONES DEL CALENTAMIENTO y/o DESPERDICIO DE LA POTENCIA
Podemos citar cuatro razones principales, las dos primeras atribuidas al diseño de la máquina, una que es condición normal y una cuarta a la incorrecta operación de la misma:
1. Incorrecta distribución/balanceo de las ramificaciones de los circuitos hidráulicos.
2. Bajo rendimiento de los elementos empleados en el funcionamiento de la máquina.
3. Calentamiento normal proporcional a la transmisión de potencia hidráulica.
4. Incorrecta operación del implemento por impericia del operador.
En el segundo punto no se relaciona directamente al calentamiento del fluido empleado en el circuito hidráulico, pero sí al desperdicio del combustible empleado en la máquina. Indirectamente, la mayor potencia empleada también contribuye al calentamiento. A continuación analizaremos individualmente los puntos y plantearemos las soluciones de cada uno.
C. INCORRECTA DISTRIBUCIÓN/BALANCEO DE LAS RAMIFICACIONES DE LOS CIRCUITOS HIDRÁULICOS
Llamaremos ramificación de un circuito hidráulico a cada uno de los ramales del mismo conectados a una misma bomba. Sabemos que, generalmente, los tractores están provistos de una única bomba hidráulica, que acciona, generalmente a través de un paquete de válvulas direccionales, distintos ramales que impulsan motores o cilindros hidráulicos, los cuales accionan las distintas partes del implemento/maquinaria agrícola. En el paquete de válvulas direccionales se divide el caudal que la bomba genera en fracciones controladas del mismo para que cada ramal reciba la parte correspondiente de ese caudal para su correcto funcionamiento. Ahora bien, esta división generalmente es controlada por reguladores de caudal, ya que de no ser así fluiría a cada ramal una cantidad aleatoria de fluido, dependiendo de la presión que exija el accionador conectado a ese ramal. Finalmente, como los cuerpos de válvulas direccionales están conectados en paralelo, generalmente, hay una sola presión y cada ramal puede recibir más o menos fluido o nada de fluido si necesitan ser accionados en forma simultánea. El fluido tomará el camino donde haya menos resistencia, o sea al ramal que necesite menos presión, y sólo si se alcanza, por la circulación a ese ramal, la presión que necesita el otro ramal éste podrá recibir parte del fluido. Ahí tendríamos un perfecto balanceo y un mínimo calentamiento, pero una aleatoriedad que no se condice con el correcto funcionamiento del implemento. El otro elemento a considerar es la bomba. Si es de caudal variable, podría aumentar automáticamente su caudal, según el tipo de control que tenga, hasta que la presión alcance un valor suficiente para que cada ramal reciba una cantidad de caudal suficiente para su correcto funcionamiento; eso sin necesidad de levantar el régimen de velocidad del motor a combustión que acciona la bomba hidráulica; como sería el caso de una bomba de caudal fijo. Sabemos que el aumento de la velocidad de giro del motor a combustión, en tractores con caja de velocidades a engranajes, aumenta la velocidad de traslación del implemento. Así que sería muy complejo si el operador tuviera que manejar todas estas variables.
Hecha esta breve introducción veremos cómo minimizar el calentamiento del fluido. Vimos que, generalmente, en un circuito típico de un implemento/maquinaria agrícola tenemos dos o más ramales que actúan simultáneamente y que son alimentados por una misma bomba. Suponemos que cada uno de estos ramales consume un caudal distinto (si consumieran el mismo caudal sería posible hacer un solo ramal conectando en serie los accionadores). Cuando se tiene una bomba de caudal variable, puede lograrse que erogue exactamente la suma de todos estos caudales. Si es una de caudal fijo, seguramente necesitaremos llevar el motor a combustión a un régimen de giro tal que la bomba erogue sólo un mínimo posible de más y adecuaremos la velocidad de traslación de la máquina en base a este régimen y a la velocidad que el implemento/maquinaria necesiten trabajar, utilizando la marcha de la caja de velocidades más próxima a estas condiciones. Por eso es que es muy importante indicar en tablas todo esto de la forma más clara posible al operador. Cuando nos referimos a ramales simultáneos son los que actúan en forma permanente cuando el implemento opera, no a los que actúan sólo unos segundos cada cierto período, como son los accionamientos de los cilindros hidráulicos, ya que estos no contribuyen significativamente al calentamiento del fluido hidráulico, sobre todo en los casos de bombas de caudal variable. En las de caudal fijo sí lo hacen y si hay que mantener disponible en forma permanente todo el incremento de caudal que necesitarán eventualmente los cilindros hidráulicos, tal como lo veremos. Ahora bien, la potencia hidráulica total necesaria es la suma de los productos entre los caudales de cada ramal y la presión a la cual trabaja ese ramal. Pero desde el lado de la bomba (de caudal variable), como no puede generar distintas presiones la potencia hidráulica total consumida es igual a la suma de los caudales multiplicada por la más alta de la presiones de todos los ramales. Obviamente esto da un valor mayor que el anterior, si son distintas las presiones a las que trabajan los distintos ramales y esa diferencia es, justamente, lo que llamamos el desperdicio de potencia que es directamente transformado en calor transmitido al fluido hidráulico y debe ser disipado a la atmósfera. Para entender las soluciones expresaremos el desperdicio de potencia como “la suma de los productos entre el caudal de cada ramal por la diferencia de presión entre la máxima del sistema y la presión del ramal”, si expresamos los caudales en litros por minuto y las presiones en bares, la división del total de la suma de productos por 450 nos indicará el desperdicio de potencia en HP. Esta expresión deriva de la simplificación matemática de la diferencia entre la potencia hidráulica total consumida y la potencia total necesaria. Haremos un ejemplo de la aplicación de esta expresión y sobre el mismo indicaremos las soluciones para minimizar el desperdicio de potencia.
Ejm.: Tenemos un caso que un circuito donde el caudal que genera la bomba (de caudal variable) se divide en 3 ramales que actúan simultáneamente y permanentemente, uno que consume 60 l/min a 120 bar, otro que consume 22 l/min a 150 bar y otro que consume 34 l/min a 100bar. Calculamos el desperdicio de potencia como sigue:
a) Presión máxima del sistema: 150 bar.
b) La suma es: 60 x (150-120) + 22 x (150-150) + 34 x (150-100)= 60 x 30 + 22 x 0 + 34 x 50 = 1800 + 0 + 1700 = 3500.
c) El desperdicio de potencia es: 3500 ÷ 450 = 7,8 HP. Para tener una idea física de lo que esto significa debemos saber que 1 HP es igual a 1.350 vatios que es, aproximadamente, el calor generado por una estufa de tubos de cuarzo. Así que en este caso es como si tuviéramos casi 8 de estas estufas calentando el fluido hidráulico.
Eso indicaría que 0,2 x 7,8 HP = 1,56 lts de combustible por hora y 1.560 lts de combustible por campaña de 1.000 hs se estarían desperdiciando.
Para el caso de una bomba de caudal fijo tendríamos que disponer, además un caudal adicional de, por lo menos, unos 25 l/min para accionar los cilindros hidráulicos. Eso equivale a un cuarto ramal que, permanentemente salvo algunos instantes, estaría trabajando a 0 bar, así que a la suma debemos agregar 25 x (150-0) = 3750. Así que el total desperdiciado sería: 3500 + 3750 = 7250. El desperdicio de potencia sería 7250 ÷ 450 = 16,11 HP. El desperdicio de combustible sería 0,2 x 16,11 = 3,22 lts./hora igual a 3.200 lts. por campaña de 1.000 hs.
¿Cómo minimizamos el desperdicio?. Haciendo que todos los ramales trabajen a una presión lo más cercano posible a la máxima, sobre todo el ramal que consume más caudal. Como cada ramal consume caudal y presión en función de la potencia que necesita el elemento que acciona; podemos lograr esa misma potencia con más presión y menos caudal. Simultáneamente, para mantener el régimen de un motor hidráulico que estaría alimentando ese ramal, disminuimos su cilindrada; eso automáticamente aumenta la presión a la que trabaja el ramal y disminuye el consumo de caudal, entonces, por ejemplo, para el primer ramal pasaríamos a consumir 48 l/min a 150 bar (60 x 120 = 48 x 150) y eso ya nos beneficiaría, primero en no contribuir al desperdicio y segundo, a reducir en 12 l/min el caudal de fluido necesario. De esto salen dos reglas:
1. El ramal que consume más caudal debe ser el que trabaje a la máxima presión.
2. Las presiones de todos los ramales deben acercarse lo máximo posible a la máxima del sistema.
Si tenemos ramales de consumo variable tomaremos la situación de consumo máximo de potencia para determinar la cilindrada del motor o la sección del cilindro que acciona.
Como detalle importante de esto se desprende que “para diseñar correctamente los componentes de un circuito hidráulico es indispensable conocer exactamente la potencia consumida en la máquina por cada elemento a accionar”. Por eso debemos exigir a cada fabricante del elemento/accesorio que nos indique ese dato, o si el elemento se produce en forma propia, hacer las mediciones de consumo correspondiente. Por ejemplo: si empleamos dosificadores neumáticos de semillas para sembradoras además del vacío o presión de aire que se necesita, también debemos conocer el caudal de aire que se consume y el torque necesario para hacer girar el dosificador, si empleamos ventiladores centrífugos de soplado o vacío debemos conocer exactamente las curvas de presión vs. caudal a los distintos regímenes de giro, si empleamos dosificadores de fertilizante por soplado debemos conocer el caudal de soplado necesario, la presión de soplado para lograr enviar ese fertilizante hasta el surco de la sembradora y el torque necesario para hacer girar ese dosificador. Solamente con todos esos datos en la mesa podremos generar el sistema hidráulico más racional posible para la máquina agrícola.
D. BAJO RENDIMIENTO DE LOS ELEMENTOS EMPLEADOS EN EL FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA
Este punto puede ser un derivado de lo último tratado en el anterior. Al tener los datos de consumo de cada elemento podemos analizar si estamos usando el correcto para cada función. Explicaremos esto con un ejemplo:
En una sembradora neumática tenemos que alimentar neumáticamente 20 surcos equipados con dosificadores a presión que consumen 25 mbar y 35 l/s de aire. Para eso emplearíamos un ventilador centrífugo de soplado que proveyera de un caudal de 35 x 20 = 700 l/s equivalentes a 0,7 m³/s y soplara a una presión de 40 mbar para cubrir una caída de presión de 15 mbar por la tubería y accesorios del circuito de aire de la máquina. Si utilizamos el ventilador centrífugo correcto, debería tener un rendimiento mínimo del 60 % y la potencia neumática que necesitaría sería de 400 mmca (equiv. a 40 mbar) x 0,7 l/seg ÷ 76 = 3,68 HP y la potencia mecánica que consumiría igual a 3,68 ÷ 0,6 = 6,14 HP. Para llevar esto a potencia hidráulica debemos agregar el rendimiento del motor hidráulico que estimaremos en un 95% siendo el consumo de potencia hidráulica 6,14 ÷ 0,95 = 6,46 HP. Si queremos que el ramal del circuito hidráulico que alimenta ese accionador trabaje a 150 bar el caudal necesario sería 6,46 x 450 ÷ 150 = 19,3 l/min. Si, según las curvas presión soplado vs caudal del ventilador necesitamos que gire a un régimen de 4.500 rpm la cilindrada del motor hidráulico ideal es de 19,3 x 1000 ÷ 4500 = 4,3 cm³/rev.
Si utilizamos un ventilador centrífugo incorrecto el rendimiento del mismo podría ser del orden del 30 % y necesitaríamos duplicar estos valores de consumo de potencia hidráulica teniendo un desperdicio de potencia de alrededor de 6,5 HP equivalentes al desperdicio de 0,2 x 6,5 x 1000 = 1.300 lts de combustible por campaña de 1000 hs. y un consumo de 20 lts/min más de fluido hidráulico elevando el caudal del ramal a alrededor de 40 l/min. Además deberíamos usar un motor de 9 cm³/rev para obtener el mismo régimen de rotación en el ventilador. Con respecto al calentamiento esto contribuye en un 5 al 10 % del desperdicio, según los conductos y acoples del sistema hidráulico. Hablamos de alrededor de 0,5 HP.
En este punto debemos hacer una acotación importante en lo que respecta al rendimiento volumétrico de los accionadores hidráulicos, sobre todo motores y bombas. Toda disminución en este punto va directamente a calentamiento multiplicando el caudal perdido internamente por motores o no generado por bombas por la presión a la que trabajan, ése es desperdicio de potencia directamente influyente sobre el calentamiento. Veamos un ejemplo:
Un motor hidráulico de engranajes o una bomba de engranajes tiene un rendimiento volumétrico que puede variar desde 0,95 % hasta 0,98 % en los de mejor calidad, trabajando a una presión de 150 bar. Si por mala calidad o excesivo desgaste ese rendimiento baja a 0,80 % tendremos un 15 % mínimo de la potencia a que trabaja ese motor o bomba directamente a calentamiento. Así que si está trabajando a 40 HP tendremos 6 HP directamente a desperdicio calentando el fluido y 1.200 lts de combustible desperdiciados por campaña.
E. CALENTAMIENTO NORMAL PROPORCIONAL A LA TRANSMISIÓN DE POTENCIA HIDRÁULICA
En la transmisión de potencia hidráulica se acepta que, aún optimizadas las condiciones, haya un calentamiento producto de las pérdidas de carga ocasionadas por la circulación del fluido. Esto es normal y a veces, según el tipo de cañerías y de la potencia a transmitir, este calentamiento puede ser disipado sin sobrecalentar el fluido. Otras veces la potencia que se transmite es importante y un 5% de la misma, que sería un valor normal en un circuito optimizado, es un valor que ya no se puede disipar en las tuberías y debe colocarse una unidad auxiliar de intercambio de calor como un radiador. Sin embargo es importante, también considerar que, sobre todo en el caso de tractores, a veces no tienen la capacidad de suministro de potencia en forma hidráulica y pueden tener un adicional de transmisión para el implemento de forma mecánica. En este caso nos referimos a la toma de fuerza. En ese caso es cuando se coloca una bomba auxiliar en el implemento o colgada de la misma toma con un multiplicador de velocidad. También aquí deberíamos considerar optimizar esta situación usando caudal variable si tenemos ramificaciones, ya que vimos lo que implica el uso de caudal fijo en las mismas. En el caso de una maquinaria agrícola autopropulsada recurrimos al uso de bombas en tándem cuando queremos evitar ramificaciones cuando necesitamos esta condición para minimizar el desperdicio de potencia.
F. INCORRECTA OPERACIÓN DEL IMPLEMENTO POR IMPERICIA DEL OPERADOR
Esta situación puede ocurrir por dos razones:
1. Baja calidad de mano de obra.
2. Falta de instrucciones y/o entrenamiento del operador para usar la maquinaria.
Las situaciones que generalmente influyen en el calentamiento se dan cuando es manual la regulación del caudal destinada a cada ramal y no hay un instrumento directo en la máquina que indique que se ha enviado caudal en exceso a un ramal o que impida hacerlo. Así es que si accionamos un ventilador centrífugo que está para girar a 4.000 rpm y tiene una válvula que desvía el exceso de caudal una vez que se alcanzó el régimen, el operador tiene que tener un instrumento que le indique el régimen de giro del ventilador y la indicación que le envíe caudal solamente hasta que alcance este régimen sin excederse, porque todo el caudal en l/min que envíe en exceso, multiplicado por la presión de trabajo en bar y dividido por 450 es directamente desperdicio de potencia en HP que en su totalidad afecta el calentamiento y desperdicio de combustible.
Así que, como conclusión, el operador debe tener indicación exacta de cuánto caudal destinar a cada ramal para la operación de la maquinaria agrícola y la forma de detectar cuando se alcanza este valor.
Ing. Evelio Juan Cardellino
M.P. Nº: 13.532.199
A. CONSIDERACIONES GENERALES:
Es muy común que se planteen problemas de temperatura en el fluido de los circuitos hidráulicos de los implementos agrícolas y consecuentemente a esto, el consumo innecesario del combustible utilizado para generar la energía que no se utiliza para el funcionamiento del implemento y se malgasta generando calor, que, generalmente, debe ser disipado por dispositivos como radiadores o intercambiadores de calor, contribuyendo al daño ambiental en dos maneras:
1. Por la combustión innecesaria del exceso de combustible necesario.
2. Generando calentamiento innecesario del aire atmosférico, que por poco que parezca, si lo multiplicamos por la cantidad de máquinas trabajando en todo el mundo, también es un agregado más al calentamiento global de la atmósfera.
Mucho más directamente significativas son las cifras económicas si tenemos en cuenta los elevados costos de los combustibles y consideramos los valores de toda una campaña, veremos costos anuales muy importantes. He aquí un ejemplo:
• Si tenemos el caso, como veremos más adelante, de un implemento/maquinaria que desperdicia (así es como llamaremos en adelante a este mal empleo de la energía) 10 HP en potencia hidráulica (valor que es más común de lo que parece), producirá un consumo extra de alrededor de 2 lts. de combustible por hora de trabajo (tomando en cuenta los buenos rendimientos de los motores diésel que actualmente impulsan la mayoría de los tractores y/o maquinaria agrícola). En una campaña anual promedio de 1000 horas de trabajo desperdiciaría 2.000 lts de gas-oil.
B. RAZONES DEL CALENTAMIENTO y/o DESPERDICIO DE LA POTENCIA
Podemos citar cuatro razones principales, las dos primeras atribuidas al diseño de la máquina, una que es condición normal y una cuarta a la incorrecta operación de la misma:
1. Incorrecta distribución/balanceo de las ramificaciones de los circuitos hidráulicos.
2. Bajo rendimiento de los elementos empleados en el funcionamiento de la máquina.
3. Calentamiento normal proporcional a la transmisión de potencia hidráulica.
4. Incorrecta operación del implemento por impericia del operador.
En el segundo punto no se relaciona directamente al calentamiento del fluido empleado en el circuito hidráulico, pero sí al desperdicio del combustible empleado en la máquina. Indirectamente, la mayor potencia empleada también contribuye al calentamiento. A continuación analizaremos individualmente los puntos y plantearemos las soluciones de cada uno.
C. INCORRECTA DISTRIBUCIÓN/BALANCEO DE LAS RAMIFICACIONES DE LOS CIRCUITOS HIDRÁULICOS
Llamaremos ramificación de un circuito hidráulico a cada uno de los ramales del mismo conectados a una misma bomba. Sabemos que, generalmente, los tractores están provistos de una única bomba hidráulica, que acciona, generalmente a través de un paquete de válvulas direccionales, distintos ramales que impulsan motores o cilindros hidráulicos, los cuales accionan las distintas partes del implemento/maquinaria agrícola. En el paquete de válvulas direccionales se divide el caudal que la bomba genera en fracciones controladas del mismo para que cada ramal reciba la parte correspondiente de ese caudal para su correcto funcionamiento. Ahora bien, esta división generalmente es controlada por reguladores de caudal, ya que de no ser así fluiría a cada ramal una cantidad aleatoria de fluido, dependiendo de la presión que exija el accionador conectado a ese ramal. Finalmente, como los cuerpos de válvulas direccionales están conectados en paralelo, generalmente, hay una sola presión y cada ramal puede recibir más o menos fluido o nada de fluido si necesitan ser accionados en forma simultánea. El fluido tomará el camino donde haya menos resistencia, o sea al ramal que necesite menos presión, y sólo si se alcanza, por la circulación a ese ramal, la presión que necesita el otro ramal éste podrá recibir parte del fluido. Ahí tendríamos un perfecto balanceo y un mínimo calentamiento, pero una aleatoriedad que no se condice con el correcto funcionamiento del implemento. El otro elemento a considerar es la bomba. Si es de caudal variable, podría aumentar automáticamente su caudal, según el tipo de control que tenga, hasta que la presión alcance un valor suficiente para que cada ramal reciba una cantidad de caudal suficiente para su correcto funcionamiento; eso sin necesidad de levantar el régimen de velocidad del motor a combustión que acciona la bomba hidráulica; como sería el caso de una bomba de caudal fijo. Sabemos que el aumento de la velocidad de giro del motor a combustión, en tractores con caja de velocidades a engranajes, aumenta la velocidad de traslación del implemento. Así que sería muy complejo si el operador tuviera que manejar todas estas variables.
Hecha esta breve introducción veremos cómo minimizar el calentamiento del fluido. Vimos que, generalmente, en un circuito típico de un implemento/maquinaria agrícola tenemos dos o más ramales que actúan simultáneamente y que son alimentados por una misma bomba. Suponemos que cada uno de estos ramales consume un caudal distinto (si consumieran el mismo caudal sería posible hacer un solo ramal conectando en serie los accionadores). Cuando se tiene una bomba de caudal variable, puede lograrse que erogue exactamente la suma de todos estos caudales. Si es una de caudal fijo, seguramente necesitaremos llevar el motor a combustión a un régimen de giro tal que la bomba erogue sólo un mínimo posible de más y adecuaremos la velocidad de traslación de la máquina en base a este régimen y a la velocidad que el implemento/maquinaria necesiten trabajar, utilizando la marcha de la caja de velocidades más próxima a estas condiciones. Por eso es que es muy importante indicar en tablas todo esto de la forma más clara posible al operador. Cuando nos referimos a ramales simultáneos son los que actúan en forma permanente cuando el implemento opera, no a los que actúan sólo unos segundos cada cierto período, como son los accionamientos de los cilindros hidráulicos, ya que estos no contribuyen significativamente al calentamiento del fluido hidráulico, sobre todo en los casos de bombas de caudal variable. En las de caudal fijo sí lo hacen y si hay que mantener disponible en forma permanente todo el incremento de caudal que necesitarán eventualmente los cilindros hidráulicos, tal como lo veremos. Ahora bien, la potencia hidráulica total necesaria es la suma de los productos entre los caudales de cada ramal y la presión a la cual trabaja ese ramal. Pero desde el lado de la bomba (de caudal variable), como no puede generar distintas presiones la potencia hidráulica total consumida es igual a la suma de los caudales multiplicada por la más alta de la presiones de todos los ramales. Obviamente esto da un valor mayor que el anterior, si son distintas las presiones a las que trabajan los distintos ramales y esa diferencia es, justamente, lo que llamamos el desperdicio de potencia que es directamente transformado en calor transmitido al fluido hidráulico y debe ser disipado a la atmósfera. Para entender las soluciones expresaremos el desperdicio de potencia como “la suma de los productos entre el caudal de cada ramal por la diferencia de presión entre la máxima del sistema y la presión del ramal”, si expresamos los caudales en litros por minuto y las presiones en bares, la división del total de la suma de productos por 450 nos indicará el desperdicio de potencia en HP. Esta expresión deriva de la simplificación matemática de la diferencia entre la potencia hidráulica total consumida y la potencia total necesaria. Haremos un ejemplo de la aplicación de esta expresión y sobre el mismo indicaremos las soluciones para minimizar el desperdicio de potencia.
Ejm.: Tenemos un caso que un circuito donde el caudal que genera la bomba (de caudal variable) se divide en 3 ramales que actúan simultáneamente y permanentemente, uno que consume 60 l/min a 120 bar, otro que consume 22 l/min a 150 bar y otro que consume 34 l/min a 100bar. Calculamos el desperdicio de potencia como sigue:
a) Presión máxima del sistema: 150 bar.
b) La suma es: 60 x (150-120) + 22 x (150-150) + 34 x (150-100)= 60 x 30 + 22 x 0 + 34 x 50 = 1800 + 0 + 1700 = 3500.
c) El desperdicio de potencia es: 3500 ÷ 450 = 7,8 HP. Para tener una idea física de lo que esto significa debemos saber que 1 HP es igual a 1.350 vatios que es, aproximadamente, el calor generado por una estufa de tubos de cuarzo. Así que en este caso es como si tuviéramos casi 8 de estas estufas calentando el fluido hidráulico.
Eso indicaría que 0,2 x 7,8 HP = 1,56 lts de combustible por hora y 1.560 lts de combustible por campaña de 1.000 hs se estarían desperdiciando.
Para el caso de una bomba de caudal fijo tendríamos que disponer, además un caudal adicional de, por lo menos, unos 25 l/min para accionar los cilindros hidráulicos. Eso equivale a un cuarto ramal que, permanentemente salvo algunos instantes, estaría trabajando a 0 bar, así que a la suma debemos agregar 25 x (150-0) = 3750. Así que el total desperdiciado sería: 3500 + 3750 = 7250. El desperdicio de potencia sería 7250 ÷ 450 = 16,11 HP. El desperdicio de combustible sería 0,2 x 16,11 = 3,22 lts./hora igual a 3.200 lts. por campaña de 1.000 hs.
¿Cómo minimizamos el desperdicio?. Haciendo que todos los ramales trabajen a una presión lo más cercano posible a la máxima, sobre todo el ramal que consume más caudal. Como cada ramal consume caudal y presión en función de la potencia que necesita el elemento que acciona; podemos lograr esa misma potencia con más presión y menos caudal. Simultáneamente, para mantener el régimen de un motor hidráulico que estaría alimentando ese ramal, disminuimos su cilindrada; eso automáticamente aumenta la presión a la que trabaja el ramal y disminuye el consumo de caudal, entonces, por ejemplo, para el primer ramal pasaríamos a consumir 48 l/min a 150 bar (60 x 120 = 48 x 150) y eso ya nos beneficiaría, primero en no contribuir al desperdicio y segundo, a reducir en 12 l/min el caudal de fluido necesario. De esto salen dos reglas:
1. El ramal que consume más caudal debe ser el que trabaje a la máxima presión.
2. Las presiones de todos los ramales deben acercarse lo máximo posible a la máxima del sistema.
Si tenemos ramales de consumo variable tomaremos la situación de consumo máximo de potencia para determinar la cilindrada del motor o la sección del cilindro que acciona.
Como detalle importante de esto se desprende que “para diseñar correctamente los componentes de un circuito hidráulico es indispensable conocer exactamente la potencia consumida en la máquina por cada elemento a accionar”. Por eso debemos exigir a cada fabricante del elemento/accesorio que nos indique ese dato, o si el elemento se produce en forma propia, hacer las mediciones de consumo correspondiente. Por ejemplo: si empleamos dosificadores neumáticos de semillas para sembradoras además del vacío o presión de aire que se necesita, también debemos conocer el caudal de aire que se consume y el torque necesario para hacer girar el dosificador, si empleamos ventiladores centrífugos de soplado o vacío debemos conocer exactamente las curvas de presión vs. caudal a los distintos regímenes de giro, si empleamos dosificadores de fertilizante por soplado debemos conocer el caudal de soplado necesario, la presión de soplado para lograr enviar ese fertilizante hasta el surco de la sembradora y el torque necesario para hacer girar ese dosificador. Solamente con todos esos datos en la mesa podremos generar el sistema hidráulico más racional posible para la máquina agrícola.
D. BAJO RENDIMIENTO DE LOS ELEMENTOS EMPLEADOS EN EL FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA
Este punto puede ser un derivado de lo último tratado en el anterior. Al tener los datos de consumo de cada elemento podemos analizar si estamos usando el correcto para cada función. Explicaremos esto con un ejemplo:
En una sembradora neumática tenemos que alimentar neumáticamente 20 surcos equipados con dosificadores a presión que consumen 25 mbar y 35 l/s de aire. Para eso emplearíamos un ventilador centrífugo de soplado que proveyera de un caudal de 35 x 20 = 700 l/s equivalentes a 0,7 m³/s y soplara a una presión de 40 mbar para cubrir una caída de presión de 15 mbar por la tubería y accesorios del circuito de aire de la máquina. Si utilizamos el ventilador centrífugo correcto, debería tener un rendimiento mínimo del 60 % y la potencia neumática que necesitaría sería de 400 mmca (equiv. a 40 mbar) x 0,7 l/seg ÷ 76 = 3,68 HP y la potencia mecánica que consumiría igual a 3,68 ÷ 0,6 = 6,14 HP. Para llevar esto a potencia hidráulica debemos agregar el rendimiento del motor hidráulico que estimaremos en un 95% siendo el consumo de potencia hidráulica 6,14 ÷ 0,95 = 6,46 HP. Si queremos que el ramal del circuito hidráulico que alimenta ese accionador trabaje a 150 bar el caudal necesario sería 6,46 x 450 ÷ 150 = 19,3 l/min. Si, según las curvas presión soplado vs caudal del ventilador necesitamos que gire a un régimen de 4.500 rpm la cilindrada del motor hidráulico ideal es de 19,3 x 1000 ÷ 4500 = 4,3 cm³/rev.
Si utilizamos un ventilador centrífugo incorrecto el rendimiento del mismo podría ser del orden del 30 % y necesitaríamos duplicar estos valores de consumo de potencia hidráulica teniendo un desperdicio de potencia de alrededor de 6,5 HP equivalentes al desperdicio de 0,2 x 6,5 x 1000 = 1.300 lts de combustible por campaña de 1000 hs. y un consumo de 20 lts/min más de fluido hidráulico elevando el caudal del ramal a alrededor de 40 l/min. Además deberíamos usar un motor de 9 cm³/rev para obtener el mismo régimen de rotación en el ventilador. Con respecto al calentamiento esto contribuye en un 5 al 10 % del desperdicio, según los conductos y acoples del sistema hidráulico. Hablamos de alrededor de 0,5 HP.
En este punto debemos hacer una acotación importante en lo que respecta al rendimiento volumétrico de los accionadores hidráulicos, sobre todo motores y bombas. Toda disminución en este punto va directamente a calentamiento multiplicando el caudal perdido internamente por motores o no generado por bombas por la presión a la que trabajan, ése es desperdicio de potencia directamente influyente sobre el calentamiento. Veamos un ejemplo:
Un motor hidráulico de engranajes o una bomba de engranajes tiene un rendimiento volumétrico que puede variar desde 0,95 % hasta 0,98 % en los de mejor calidad, trabajando a una presión de 150 bar. Si por mala calidad o excesivo desgaste ese rendimiento baja a 0,80 % tendremos un 15 % mínimo de la potencia a que trabaja ese motor o bomba directamente a calentamiento. Así que si está trabajando a 40 HP tendremos 6 HP directamente a desperdicio calentando el fluido y 1.200 lts de combustible desperdiciados por campaña.
E. CALENTAMIENTO NORMAL PROPORCIONAL A LA TRANSMISIÓN DE POTENCIA HIDRÁULICA
En la transmisión de potencia hidráulica se acepta que, aún optimizadas las condiciones, haya un calentamiento producto de las pérdidas de carga ocasionadas por la circulación del fluido. Esto es normal y a veces, según el tipo de cañerías y de la potencia a transmitir, este calentamiento puede ser disipado sin sobrecalentar el fluido. Otras veces la potencia que se transmite es importante y un 5% de la misma, que sería un valor normal en un circuito optimizado, es un valor que ya no se puede disipar en las tuberías y debe colocarse una unidad auxiliar de intercambio de calor como un radiador. Sin embargo es importante, también considerar que, sobre todo en el caso de tractores, a veces no tienen la capacidad de suministro de potencia en forma hidráulica y pueden tener un adicional de transmisión para el implemento de forma mecánica. En este caso nos referimos a la toma de fuerza. En ese caso es cuando se coloca una bomba auxiliar en el implemento o colgada de la misma toma con un multiplicador de velocidad. También aquí deberíamos considerar optimizar esta situación usando caudal variable si tenemos ramificaciones, ya que vimos lo que implica el uso de caudal fijo en las mismas. En el caso de una maquinaria agrícola autopropulsada recurrimos al uso de bombas en tándem cuando queremos evitar ramificaciones cuando necesitamos esta condición para minimizar el desperdicio de potencia.
F. INCORRECTA OPERACIÓN DEL IMPLEMENTO POR IMPERICIA DEL OPERADOR
Esta situación puede ocurrir por dos razones:
1. Baja calidad de mano de obra.
2. Falta de instrucciones y/o entrenamiento del operador para usar la maquinaria.
Las situaciones que generalmente influyen en el calentamiento se dan cuando es manual la regulación del caudal destinada a cada ramal y no hay un instrumento directo en la máquina que indique que se ha enviado caudal en exceso a un ramal o que impida hacerlo. Así es que si accionamos un ventilador centrífugo que está para girar a 4.000 rpm y tiene una válvula que desvía el exceso de caudal una vez que se alcanzó el régimen, el operador tiene que tener un instrumento que le indique el régimen de giro del ventilador y la indicación que le envíe caudal solamente hasta que alcance este régimen sin excederse, porque todo el caudal en l/min que envíe en exceso, multiplicado por la presión de trabajo en bar y dividido por 450 es directamente desperdicio de potencia en HP que en su totalidad afecta el calentamiento y desperdicio de combustible.
Así que, como conclusión, el operador debe tener indicación exacta de cuánto caudal destinar a cada ramal para la operación de la maquinaria agrícola y la forma de detectar cuando se alcanza este valor.
Ing. Evelio Juan Cardellino
M.P. Nº: 13.532.199