1.2 conceptos básicos de la hidráulica
1. HIDRÁULICA. CONCEPTOS BÁSICOS
Los líquidos y los gases reciben la denominación común de
fluidos, debido a que sus moléculas se mueven fácilmente unas con respecto a
otras, cambiando de forma bajo la acción de pequeñas fuerzas.
Se llama líquido a todo fluido cuyo volumen adopta la forma
del recipiente que lo contiene (es decir, volumen constante - forma variable).
Como características esenciales de los líquidos se puede citar que, cuando un
líquido ocupa un gran recipiente, su superficie libre aparece plana y
horizontal. Igualmente si un líquido ocupa varios recipientes comunicados entre
sí, en todos esos recipientes el líquido alcanzará la misma altura o nivel, independientemente
de que estos tengan formas diferentes (teoría de los vasos comunicantes).
PRESIÓN
Presión es la fuerza normal ejercida por un peso sobre una
superficie determinada:
Peso en kilogramos
Presión = —————————————————
Superficie en cm
cuadrados
La presión es mayor al disminuir la superficie de apoyo.
El aire es el gas más conocido. No es un compuesto químico,
sino una mezcla de gases diferentes, principalmente nitrógeno (un 78 %
aproximadamente) y oxígeno (alrededor del 21%).
La atmósfera es la masa de aire que rodea la Tierra y determina,
a causa de su peso, una presión sobre los cuerpos situados en la superficie
terrestre. Nosotros mismos estamos constantemente bajo el efecto de la presión
debida al peso de la columna de aire que tenemos sobre nosotros y que alcanza
hasta el límite superior de la atmósfera. Soportamos ese peso sin trastornos
gracias a que nuestro organismo está adaptado para ello.
Así, se llama presión atmosférica a la fuerza por unidad de
superficie ejercida por la atmósfera sobre los cuerpos situados en la superficie
de la Tierra. El valor de la presión atmosférica, medido al nivel del mar, es
equivalente a la presión que hace una columna de mercurio de 760 mm, o bien una
columna de agua de 10 metros.
Para medir la presión se utilizan manómetros que miden según
las siguientes unidades:
- Atmósfera Técnica: 1 Kilo por centímetro cuadrado.
- Atmósfera Física: 1,033 Kilos por centímetro cuadrado.
- Bar: 1,02 Kilos por centímetro cuadrado.
Llamamos presión hidrostática a la presión que se ejerce en
un punto cualquiera de un líquido debido al propio peso de este.
Los sistemas hidráulicos aplican un principio según el cual,
la presión aplicada a un líquido contenido en un recipiente, se transmite con
la misma intensidad a cualquier otro punto del líquido (Principio de Pascal).
La cavitación es un fenómeno que se produce en un conducto
por el que circula un fluido, generalmente agua, donde se forman espacios
vacíos, normalmente en lugares donde la velocidad es elevada y la presión está
por debajo de unos valores determinados. Estos espacios vacíos provocan la
formación de burbujas de vapor que modifican la corriente del fluido, volviendo
a subir la presión. Entonces estas burbujas desaparecen y se producen unas sobrepresiones
puntuales.
CAUDAL
Caudal es el producto de la sección del tubo de corriente
por la velocidad del fluido en la misma (Q = S x V). Se mide en metros cúbicos
por minutos u horas o en litros por segundo, minuto u hora.
Una propiedad a la que veremos múltiples aplicaciones
prácticas es aquella por la que se establece que un fluido incomprensible que
pasa por un tubo de corriente a una velocidad determinada, aumenta esa
velocidad cuando disminuye la sección del tubo. (Ecuación de continuidad: S1 x
V1 = S2 x V2, Teorema de Bernoulli, Efecto Venturi).
ð TEOREMA DE BERNOULLI.- Este principio nos dice que la suma
de energías (debida a la presión o energía del flujo, velocidad y altura de un
líquido) en dos puntos cualesquiera de una canalización permanece constante.
Si en una instalación tenemos diversos elementos, La
Ecuación Total de Bernoulli, vendrá dada por la suma de todas las energías
suministradas y consumidas en dicha instalación:
ECUACIÓN TOTAL BERNOULLI: Σ E1 + Hb = Σ E2 + Ht + Σ Pc =
Cte.
Σ E1... Energía debida a la velocidad, presión y elevación
del liquido en el punto 1.
Hb.. ... Energía que suministra la/s bomba/s existentes en
la instalación.
Σ E2 ... Energía debida a la velocidad, presión y elevación
del liquido en el punto 2.
Hb..... Energía que consume la/s turbina/s existentes en la
instalación.
Σ Pc... Perdidas de carga, dichas perdidas de presión son
debidas a que el liquido y la instalación no son ideales.
Efecto Venturi.- Este fenómeno se basa en el principio de Bernoulli,
de forma que, si se disminuye la sección en una canalización aumentara la
velocidad del líquido para cumplir el principio de conservación de la masa
(ecuación de continuidad) y por tanto según Bernoulli aumenta la presión
dinámica y disminuye la presión estática.
Esta disminución de la presión es un estrechamiento
denominado efecto Venturi. Este efecto se utiliza en las alas de los aviones,
en los pulverizadores, en los carburadores de automóvil, en los premezcladores
de espuma, en las bombas para hacer el cebado en los hidroyectores, etc.
EFECTOS EN MANGUERAS Y LANZAS
En su recorrido por una conducción, los líquidos están
sometidos a resistencias o rozamientos en la pared y a unas pérdidas de energía
en los codos, válvulas, llaves de paso y cambios de sección. Los rozamientos y
pérdida de energía del líquido en su circulación se manifiestan en unas
pérdidas de presión. Estas pérdidas, que varían en el mismo sentido que el
caudal, se llaman “pérdidas de carga” y aumentan con:
- La rugosidad de las paredes de la conducción.
- La viscosidad del líquido (lo contrario de fluidez).
- Los estrechamientos, codos,... de la tubería.
- La cantidad y tipo de racores, válvulas,...
- El diámetro de la tubería (a más diámetro, menos
pérdidas).
- La longitud de la tubería (a más longitud, más pérdidas).
El fenómeno llamado golpe de ariete se produce debido a la
sobrepresión que aparece en una tubería o manguera, por la variación brusca del
caudal, al cerrar una llave de paso o lanza, pudiendo llegar a romper la
conducción o bien soltar las bridas de un racor. La fuerza del “golpe de
ariete” aumenta con la velocidad a la que se efectúa el cerrado.
El alcance de las lanzas, es decir la distancia y altura del
chorro que proyectan, depende de a la velocidad que tiene el agua al salir de
la lanza y de diámetro del orificio de la boquilla. El alcance máximo
horizontal está definido por las leyes del trazado parabólico, pero debido a la
resistencia del aire se modifican un poco los datos teóricos. Para un tipo determinado
de lanza, el máximo alcance se logrará teóricamente con un ángulo de 45º, pero en
la práctica se consigue elevando la lanza en un ángulo de 30º (el que se forma
en el pico más agudo de un cartabón de dibujo).
Debido a la velocidad de salida del agua por la boquilla, se
produce una reacción de la lanza, o fuerza de retroceso, cuyo valor depende de
la sección del orificio de la boquilla.
Los valores aproximados de esta reacción se pueden calcular
como R = 2 x S x P Siendo R la fuerza de la reacción expresada en Kg, S la
sección del orificio de la lanza en cm2, y P la presión de la lanza en Kg/cm2.
2. BOMBAS
Son aparatos o sistemas mecánicos que sirven para añadir o
extraer energía de un fluido (líquidos o gases). Se utiliza el termino bomba
para la máquina que añade energía al fluido y más concretamente para el bombeo
o impulsión de los fluidos a través de conducciones con una cierta presión.
Podemos clasificar las bombas en dos tipos, según su
principio de funcionamiento:
2. BOMBAS
Son aparatos o sistemas mecánicos que sirven para añadir o
extraer energía de un fluido (líquidos o gases). Se utiliza el termino bomba
para la máquina que añade energía al fluido y más concretamente para el bombeo
o impulsión de los fluidos a través de conducciones con una cierta presión Podemos
clasificar las bombas en dos tipos, según su principio de funcionamiento:
TIPOS DE BOMBAS
1 POR SU UTILIZACIÓN:
ASPIRANTES, IMPELENTES Y PSEUDOMIXTAS: Constan
principalmente de un cilindro, un pistón y algunas válvulas. Al subir el émbolo
dentro del cilindro, produce un vacío y la presión atmosférica empuja el agua
hacía dentro del cilindro a través de las válvulas (V').
Al bajar el émbolo, el agua comprimida por éste cierra las válvulas
(V') y abre las válvulas (V) saliendo el agua al exterior por los tubos (L) en
los tipos de bombas (B) y (C), mientras que en los tipos (A), pasa por la
cámara superior y al volver a subir el émbolo, el agua cierra la válvula (V)
saliendo al exterior por el tubo (L).
2. POR SU SISTEMA OPERATIVO:
A) Desplazamiento positivo
a) Alternativas.
La bomba de émbolo. Consta de un cilindro con un émbolo
alternativo conectado a una varilla que pasa a través de un casquillo de
prensaestopas al final del cilindro. Para evitar fugas a través del casquillo y
del émbolo se utiliza material de empaquetadura tal como amianto grafitado,
plomo, aluminio, cuero, caucho, plástico o fibras.
El líquido entra desde la línea de succión a través de una
válvula de succión alguna pueden ser también de doble efecto, cuyo caso se
utiliza el volumen situados a ambos lados del émbolo.
En una bomba de un solo cilindro la descarga aumenta desde
cero cuando el émbolo comienza a moverse desde el final de la carrera hasta alcanzar
un valor máximo cuando el émbolo esta totalmente acelerado hacia el punto medio
de la carrera; la descarga disminuye entonces gradualmente hasta alcanzar el
valor cero. Si la bomba es de simple efecto habrá un intervalo durante el
retorno de la carrera durante el cual el cilindro se llena de líquido y no existe
descarga. Si la bomba es de doble efecto, la descarga se produce en cada
carrera, aunque hay que tener en cuenta la sección de la varilla del émbolo que
puede llegar a ser considerable, haciendo que la carrera de vuelta tenga menos
caudal que la de ida.
El rendimiento volumétrico, que se define como la relación
entre la descarga real y el volumen barrido, es generalmente superior al 90%.
2) La bomba de martinete. Aunque de construcción análoga,
difiere de la de émbolo, en que el vástago pasa a través de un casquillo
adosado al extremo del cilindro; esto permite una separación y sustitución del
material que forma el cierre y cualquier fuga se aprecia de forma inmediata. La
bomba de martinete y la del émbolo se utilizan para inyectar pequeñas cantidades
de inhibidores en reactores de polimerización o de inhibidores de corrosión en sistemas
de alta presión. Se utilizan también para introducir el agua de alimentación en
calderas de vapor.
3) La bomba de diafragma. Se ha desarrollado para tratar
líquidos corrosivos o que contienen suspensiones de sólidos abrasivos. Consta
de dos secciones separadas por un diafragma de caucho, cuero o material
plástico. En una de las secciones opera un émbolo que desplaza un fluido no
corrosivo. El movimiento del fluido es transmitido por medio del diafragma
flexible al liquido que se bombea. Las únicas partes móviles de la bomba que
están en contacto con el liquido son las válvulas y pueden diseñarse de forma
especial para tratar el material. En algunos casos el movimiento del diafragma
es producido por accionamiento mecánico directo.
b) Rotativas.
1) La bomba de engranajes. Es la más ampliamente utilizada
de todas las bombas rotativas de acción positiva. Dos ruedas dentadas operan
dentro de una carcasa, con una pequeña holgura entre la punta de los dientes de
los engranajes y la carcasa. Una de las ruedas dentadas está accionada y la
otra arrastrada por ella. El líquido es transportado circularmente en espacio
comprendido entre dos dientes consecutivos y la carcasa y es proyectada hacia
la zona de descarga.
La bomba no tiene válvulas y su cierre depende de la pequeña
holgura entre los dientes de los engranajes y la carcasa. Es una bomba de
desplazamiento positivo y operará frente a presiones elevadas. La descarga es
casi independiente de la presión y no es necesario el cebado.
La principal ventaja de la bomba de engranaje sobre la bomba
alternativa consiste en que proporciona un flujo homogéneo y que puede
acoplarse directamente a un motor eléctrico. Puede tratar líquidos de
viscosidades muy elevadas y se utiliza mucho en la industria del petróleo para
el bombeo de residuos viscosos procedentes de las plantas de destilación.
Debido a que el espacio entre los dientes de los engranajes es comparativamente
pequeño, la bomba no se puede utilizar con suspensiones.
2) La bomba Peristáltica o inductor de flujo. Es una forma
especial de bomba en la que un tubo de goma de silicona, u otro material
elástico, se comprime por etapas mediante un rotor.
El tubo se acopla a un carril curvo montado concéntricamente
con un rotor provisto de unos rodillos, estos rodillos al girar el rotor
aplastan el tubo hasta el carril. Las "aplastaduras" hacen que el
fluido se mueva por desplazamiento positivo, y el flujo se pueda controlar con precisión
a partir de la velocidad de giro del motor.
Estas bombas resultan especialmente útiles para fluidos
biológicos, en los que deben evitarse todas las formas de contacto. Son muy
utilizadas en laboratorios y pequeñas plantas, donde resulta interesante la
ausencia de émbolo, al evitar la aireación y la resistencia a la corrosión. Con
unidades normales se pueden obtener capacidades de 5 a 360 cm3/seg utilizando
tubos de 3 a 25 mm de diámetro interior.
3) La bomba mono. Es otro ejemplo de una bomba rotativa
accionamiento positivo en la que un husillo metálico de forma helicoidal, gira
dentro de un estátor, siendo el líquido forzado a circular a través del espacio
comprendido entre el estátor y rotor. La bomba Mono proporciona un flujo
uniforme y no vibra durante su operación. Puede operar frente a presiones
elevadas; cuanto mayor es la presión de trabajo tanto más largos tienen que ser
el estátor y el rotor y girar más rápido. La bomba puede operar con líquidos
corrosivos y en la alimentación de sólidos.
4) Las bombas volumétricas. Son accionadas por motores
eléctricos de giro constante. Se utilizan cuando se precisa una velocidad de
descarga de liquido exactamente controlada, y se ha de mantener esta velocidad
constante con independencia de los cambios de presión. Para bajos caudales y
presiones elevadas las bombas son generalmente de tipo émbolo, para caudales
elevados y presiones más bajas se utiliza un diafragma, en ambos casos la
velocidad de descarga se controla ajustando la carrera del émbolo, y se puede
realizar con la bomba en funcionamiento. El caudal se puede controlar desde
cero hasta un valor máximo, bien manualmente o de forma remota. Estas bombas se
pueden utilizar para la dosificación de efluentes, reaccionantes,
catalizadores, inhibidores, etc. Estas bombas proporcionan un método sencillo
para controlar la velocidad de flujo, pero requieren una construcción con normas
de precisión de ingeniería. Se pueden construir en materiales resistentes a la corrosión.
B) Dinámicas rotativas centrifugas
Las bombas dinámicas rotativas centrifugas, son con mucho el
tipo más frecuentemente utilizado en la industria química, servicios
contra-incendios y equipos de bombeo tradicionales. De entre los diferentes
tipos de bombas rotativas que existen, las bombas centrífugas son actualmente
las más utilizadas por los servicios contra-incendios gracias a su rendimiento
y presiones alcanzadas. Comunican al líquido una elevada energía cinética que
se convierte de la forma más adecuada en energía de presión. El caudal suministrado
depende de la presión suministrada (inversamente, es decir a menores presiones mayor
caudal e inversa). Pueden bombear líquidos conteniendo sólidos en suspensión y
se puede construir en una gran variedad de materiales resistentes a la
corrosión, o bien revestirse con caucho o plásticos.
Las bombas centrífugas constan principalmente de una entrada
axial, un rodete y un colector con salida tangencial. Por la entrada axial
llega el agua a la bomba (eje del rodete), proveniente del tubo de aspiración o
de la cisterna del vehículo. Esta entrada tiene un distribuidor que hace que el
agua vaya por la dirección conveniente con el fin de evitar o disminuir los
juegos y las turbulencias. Es decir, se alimenta en el eje de un rodete que
gira impulsando el líquido hacia fuera por acción centrífuga. Como consecuencia
de la elevada velocidad de rotación del rodete el líquido adquiere una gran
energía cinética y se produce una diferencia de presión entre las secciones de
succión y descarga de la bomba por conversión de la energía cinética en energía
de presión. Las presiones de succión y descarga de la bomba dependen de la
eficacia con la que tiene lugar esta conversión de una forma de energía en
otra. Una vez pasada la entrada axial, el agua entra en el rodete que es una
pieza que gira rozando prácticamente las paredes de la carcasa que lo contiene.
Las paletas del rodete impulsan el agua hacia el exterior del mismo y hacia la
salida imprimiéndole una gran velocidad. Eso es debido al efecto de la fuerza
centrífuga combinada con la disminución de la sección de paso, a medida que el
agua se aleja del centro del rodete.
Una vez en el exterior del rodete, el agua es recogida por
un colector (voluta) en el que la energía cinética debida a la velocidad del
agua, se transforma en energía potencial, es decir de presión. Además este
colector tiene una salida de forma tangencial respecto al rodete, por donde el
agua pasa a las diferentes salidas de la bomba. Este tipo de bomba, es de una
sola etapa pero si se coge el agua que sale de esta bomba y se hace pasar por
la entrada axial de otra bomba resultará que el conjunto de las dos será una
bomba de dos etapas (ver figura).
Normalmente en la primera etapa se puede conseguir unas
presiones de 12-14 Kg /cm2 (hoy en día mayores, hasta 18-20 atmósferas) y con
dos etapas se pueden llegar a unas presiones de 20-30 Kg /cm2 e incluso mayores
(hoy en día, del orden de las 42 atmósferas).
Estas presiones hacen que los cojinetes y rodamientos hayan
de aguantar grandes fuerzas tanto radiales como axiales y por lo tanto se han
de prever las bombas con rodamientos que soporten el esfuerzo axial, y además
se ha tener en cuenta que estos rodamientos han de ser estancos y por lo tanto
estar trabajando en unas condiciones muy duras. Para intentar aminorar las
fuerzas axiales se utilizan diferentes sistemas de construcción, en unos casos
se realizan unos agujeros al lado del centro del rodete para que este tenga
tanta presión por un lado como por el otro. En otros casos se construye un
rodete de los denominados laterales, que quiere decir que tienen palas o aspas
en los dos lados al mismo tiempo equilibrando las fuerzas axiales. Otra
solución para aminorar estas fuerzas es que dos etapas trabajen en oposición
respecto a las fuerzas, es decir, si una etapa tiene la entrada por un lado la
etapa siguiente la tiene por el costado contrario.
El tipo de rodete interviene en las características de la
bomba, un rodete con una anchura axial más grande que otro rodete y para igual
diámetro, tendrá mayor capacidad para poder dar un caudal más grande. Otra
diferencia básica entre los rodetes es su diseño. El rodete consta de una serie
de alabes curvados de tal forma que el flujo dentro de la bomba sea el más
suave posible. Cuanto mayor es el número de alabes del rodete mayor es el control
de la dirección de movimiento del líquido y, por tanto, menores son las
pérdidas debidas a la turbulencia y circulación entre los alabes.
* Los rodetes abiertos: tienen una separación muy pequeña
con el cuerpo de bomba para evitar una excesiva recirculación de líquido desde
la zona de presión a la zona de aspiración. Tienen en general, un rendimiento
inferior a los rodetes cerrados, pero son más sencillos de construcción y más
económicos de compra. También son más convenientes cuando se han de manipular
líquidos con sedimentos. Los alabes están fijos a un eje central.
* Los rodetes cerrados: limitan mucho la recirculación del
líquido debido a los anillos flotantes, frontales y posteriores del rodete.
Tienen en general, más rendimiento que los abiertos, pero son más caros y
complicados de construcción. Los alabes están soportados entre dos laminas y se
reduce el retroceso del líquido a través del rodete.
El colector que recoge el agua a la salida del rodete tiene
una forma curva que se llama voluta, con sección creciente hasta la salida.
Esta forma de colector favorece la transformación de energía cinética en
energía de presión. El colector acaba con una salida tangencial que está
formada por un cono divergente que ha de tener una longitud determinada respecto
a los diámetros. Esta posición también favorece la transformación de la energía
cinética o de presión. Las bombas utilizadas en nuestros vehículos disponen
normalmente de los elementos que indica.
Aspiración.- La primera operación de trabajo con una bomba
es la llenarle el cuerpo de agua. Para ello existen dos sistemas, el depósito
este más alto que la bomba y el agua entra por gravedad o bien se ha de hacer
la operación de aspiración con la bomba.
Para hacer la
aspiración se ha de sacar el aire que hay dentro de la bomba, y que no entre
por ningún lugar, se han de tener todos los grifos cerrados y hacer la
operación de cebado (llenar de agua el cuerpo de la bomba, sacando el aire de
la misma previamente).
El agua que impulsa la bomba deja un vacío que es cubierto
por el agua que sube por el mangote de aspiración al ser impulsada por la
presión atmosférica.
En la operación de aspiración, hay que tener presente que
debido a la presión atmosférica solamente dejará subir el agua a una altura
teórica de 10,33 metros, por ello en la aspiración de agua dicha presión
teórica es negativa (producir el vacío, -1 Atm), con lo cual se podría aspirar
agua a -10,33 metros (que en la práctica esta altura será menor, entre 6 y 8 metros),
esto es debido a diferentes factores que crean perdidas e impiden que se pueda aspirar
a ésta profundidad teórica. Los factores que influyen en la aspiración son:
* Pérdida de carga en los conductos y filtros. Debido a que
el agua dentro de los mangotes tiene movimiento, se producen fricciones con las
paredes, y por lo tanto existe una pérdida de carga que hace que la altura de
aspiración sea inferior.
* Valor de la presión atmosférica dependiendo de la
climatología y de la altura sobre el nivel del mar. Debido a que el agua en la
aspiración es impulsada por la presión atmosférica, el valor de esta presión es
importante para saber si impulsará más o menos. Por ejemplo, en un día de
tempestad, en que la presión atmosférica es en menor que la normal, la altura
de aspiración será inferior que en un día claro. El valor de la presión
atmosférica también varia con la altura, a más altura menor presión atmosférica
y por lo tanto el impulso que recibirá el agua de esta presión y la altura de
aspiración disminuirá.
* Temperatura de agua aspirada. El agua como la mayoría de
los líquidos, produce vapores a determinadas temperaturas, esta presión de
vapor que se produce anula más o menos el grado de vacío creado en los
conductos de aspiración, el agua comienza a producir vapor a partir de 40º C. y
a medida que aumenta la temperatura aumenta la presión de vapor hasta llegar a
una temperatura de 1.00º C., en que la presión de vapor es una atmósfera y
entonces la aspiración es imposible.
* Estanqueidad del sistema e imperfecciones de las máquinas
de hacer el vacío. El vacío absoluto es prácticamente imposible de conseguir y
menos con máquinas que puede tener pequeñas imperfecciones o que están un poco
desgastadas por el uso.
* Densidad del agua aspirada. La densidad del agua también
influye, ya que cuanto más densa es el agua más pesa. Por ejemplo, con agua
salada, que es más densa, la altura de aspiración será más pequeña que con agua
dulce.ð Mecanismo de Cebado.- Las bombas centrífugas no pueden, por si mismas,
crear un vacío
para poder aspirar, por lo tanto es necesario, que estas
bombas estén dotadas de un mecanismo auxiliar capaz de realizar esta función.
Estos mecanismos auxiliares son los de cebado, existen de diferentes tipos y
los más utilizados son:
* El mecanismo de pistón alternativo.- En la parte superior
del cilindro hay una válvula que permite sacar el aire que impulsa el pistón,
pero no deja entrar el aire del exterior. En una parte más baja del cilindro
hay una lumbrera que comunica la bomba con el mecanismo de cebado. Al bajar el
pistón hace el vacío y deja entrar el aire dentro de la bomba. Una vez sube el
pistón se cierra la lumbrera, y el aire es expulsado a través de la válvula
superior del cilindro hacia el exterior.
* El mecanismo de anillo de agua.- se compone de una cámara
cilíndrica que tiene dos lumbreras que comunican, una con los conductos de
aspiración y cuerpo de bomba, la otra con el exterior mediante una válvula.
Esta válvula permite que el aire salga pero que no entre del exterior. El
anillo de agua ha de estar lleno antes de hacer el cebado, y como la rueda de paletas
está girando, se produce sobre el agua una fuerza centrífuga que la proyecta
sobre la periferia de la cámara cilíndrica formando un anillo de agua de
espesor determinado. El excedente de agua sale por la lumbrera de comunicación
con el exterior. Entre las paletas se forman pequeñas cámaras de capacidad
variable a medida que la rueda de paletas va girando.
Al pasar, estas cámaras, por delante de la lumbrera de
comunicación con la bomba se van haciendo más grandes y por lo tanto dejando un
espacio vacío que se llena con el aire de los conductos de aspiración.
Posteriormente cuando pasan por delante de la lumbrera en comunicación con el exterior,
estas cámaras, van disminuyendo forzando al aire a salir hacia el exterior por
esta lumbrera. Con este sistema se consigue que se produzca el vacío en los conductos
de aspiración y que el agua llegue al cuerpo de bomba.
* El mecanismo que utiliza el efecto Venturi.- utilizan para
su funcionamiento los gases de escape de motor, estos gases al pasar por un
estrechamiento aumentan de velocidad produciendo una depresión que hace salir
el aire de los conductos de aspiración.
Especiales
De las bombas especiales vamos a ver la turbobomba, la cual
es un aparato que hace funciones similares al hidroeyector pero con la
particularidad que el líquido que se utiliza como fuerza motriz no se mezcla
con el liquido aspirado.
En este caso el funcionamiento del aparato también precisa
de una turbina que impulse agua y que transmite este movimiento a un rodete
que, sumergido en el líquido a impulsar, envía el agua u otro líquido fuera por
medio de una manguera.
Para funcionar, la turbobomba, necesita estar sumergida
prácticamente dentro del líquido.
Este aparato es más delicado de funcionamiento que el
hidroeyector ya que tiene elementos móviles y fricciones o desperfectos en los
retenes que pueden hacer que los rodetes queden bloqueados o no giren correctamente.
El rendimiento es superior al de los hidroeyectores pudiendo sacar agua de una
profundidad, aproximada de 28 ó 30 metros.
4. SISTEMAS DE ACHIQUE Y EXTRACCIÓN.
La intervención en el achique de agua en sótanos, terrazas y
zonas bajas de las poblaciones:
-1º) En primer lugar, cortar la energía eléctrica en toda
línea que pueda llegar a la zona o recinto inundados. No usar ni tocar
elementos eléctricos como cables caídos, aparatos, mecanismos, sobre todo si
está mojado o pisando agua.
-2º) No encender aparatos, máquinas o motores eléctricos que
hayan estado mojados hasta que hayan sido desmontados, limpiados y secados.
-3º) Vigilar los posibles riesgos de incendio que puede ser
causado por:
- Tuberías de gas inflamable rotas o con fugas.
- Circuitos, cuadros o aparatos eléctricos mojados.
- Derrames de líquidos inflamables (incluso si ha ocurrido
en puntos alejados situados corriente arriba).
-4º) Cortar o esperar a que se interrumpa el flujo de agua
antes de iniciar los procedimientos de desagüe.-5º) Antes de instalar las
bombas, retirar todo obstáculo que impida el desagüe por gravedad, como tapas
de alcantarilla, rejillas de arquetas, diques formados por arrastres, granizo,
incluso, abriendo huecos en muros que formen presa.
-6º) Ante calles o zonas bajas de una población inundadas
por una tromba de agua, mantener la calma. En general la inundación se
resolverá sin necesidad de iniciar procedimientos de desagüe, en función de la
sección de las bocas y tuberías del alcantarillado.
En todo caso, convendrá:
- Localizar y limpiar los imbornales obstruidos por
depósitos de residuos y detritus.
- Buscar las bocas de las alcantarillas tanteando el suelo
con una barra metálica. Una vez localizada la tapa, levantarla sin abrirla del
todo de forma que permita la salida del agua sin riesgo de que alguna persona
caiga por accidente.
- Si la zona inundada carece de alcantarillado, será
necesario el achique con bombas o, si el terreno lo permite, utilizando la
teoría de los vasos comunicantes.
- Si la zona inundada esta junto a un río, o si el nivel
freático es muy alto será imposible el desagüe hasta que baje el nivel de las
aguas.
-7º) Al entrar en un edificio inundado, hacerlo con extrema
precaución y con las siguientes precauciones:
- Vigilar la aparición de grietas indicativas de fallos en
la estructura o la cimentación para controlar el riesgo de hundimiento del
edificio por arrastres en la base de cimentación, por carga de agua sobre
forjados o por presión de agua superficial o subterránea sobre muros.
- Vigilar la posible caída de cascotes y techos.
- Recordar que los pisos quedan cubiertos con lodo muy
resbaladizo y con piedras, cascotes, botellas rotas, clavos,... que pueden
clavarse si el calzado es inadecuado.
- Si los edificios inundados tienen instalaciones de gas,
puede haber fugas después de la inundación. No fumar ni usar llama hasta que se
haya cortado el gas y se haya ventilado.
-8º) Decidir la instalación de las bombas para desagüe
teniendo en cuenta:
- Utilizar con preferencia bombas que movilicen grandes
caudales a baja presión (las bombas para extinción de incendios suelen ser todo
lo contrario).
- En general, las bombas necesitan un mínimo de profundidad
de agua para poder operar. Esto puede obligar a ir modificando la situación de
las bombas según vaya bajando ese nivel y a preguntar o buscar la existencia de
pozos de bombeo o de puntos que puedan ser utilizados como tales (como fosos de
ascensores, arquetas de alcantarillado...).
- En grandes sótanos, puede ser necesario achicar el agua
gradualmente para evitar daños estructurales (se recomienda 1/3 de agua por
día)
- Vigilar continuamente los puntos de desagüe de las bombas,
para no provocar daños en otras zonas.
- Protegerse frente al riesgo de gases nocivos emitidos por
el funcionamiento de motobombas en recintos cerrados.
1.2.1 FUNDAMENTOS FISICOS DE LA HIDRAULICA
Principio de Pascal
La presión aplicada
sobre un fluido confinado en un recipiente, se transmite íntegramente en todas
las direcciones y ejerce fuerzas iguales sobre áreas iguales, actuando estas
fuerzas perpendicularmente sobre las paredes del recipiente contenedor.
Ecuación de
continuidad
Cuando un fluido fluye
por un conducto de diámetro variable, su velocidad cambia debido a que la sección
transversal varía de una sección del conducto a otra.
En todo fluido
incompresible, con flujo estacionario (en régimen laminar), la velocidad de un
punto cualquiera de un conducto es inversamente proporcional a la superficie,
en ese punto, de la sección transversal de la misma.
Teorema de Bernoulli
En todo fluido ideal
(sin viscosidad ni rozamiento), incomprensible, en régimen laminar de
circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece
constante a lo largo de todo su recorrido.
PERDIDA DE CARGAS
Debido a las fuerzas de rozamiento que por un lado se
producen entre las láminas del fluido y por otro entre éste y las paredes de la
tubería, se generan pérdidas energéticas que producen calor, y que dan lugar a
una disminución de presión en el fluido hidráulico, es lo que se llama pérdida de carga.
POTENCIA HIDRAULICA
La potencia (P) de una bomba
hidráulica es la relación entre la energía de flujo proporcionada por la bomba
y el tiempo que la misma ha estado en funcionamiento para comunicar dicha
energía.
Normalmente esta magnitud se suele
expresar como el producto de la presión del fluido por su caudal:
1.2.2 CARACTERISTICAS FISICAS Y QUIMICAS DE LOS ACEITES HIDRAULICOS
ACEITE HIDRÁULICO.
Los aceites hidráulicos son líquidos
transmisores de potencia que se utilizan para transformar,
controlar y transmitir los esfuerzos mecánicos a
través de una variación de presión o de flujo.
FUNCIONES.
1. Transmitir la potencia de un punto a otro.
2. Realizar el cierre entre piezas móviles
reduciendo fricciones y desgastes.
3. Lubricar y proteger contra herrumbre o
corrosión las piezas del sistema.
4. No sufrir cambio físico o químico o el
menor posible.
5. Suministrar protección contra el desgaste
mecánico.
PARÁMETROS MÁS IMPORTANTES.
Temperatura de funcionamiento.
Influyen sobre las propiedades físicas y
químicas del fluido. Las altas temperaturas condicionan la vida útil del
fluido, su resistencia de película, su viscosidad, etc. La temperatura baja
puede presentar problemas debidos a dificultades en el bombeo. En transmisiones
que trabajen al exterior pueden presentarse variaciones de -15ºC a +45ºC.
Viscosidad Afecta a las propiedades de fricción
del fluido, el funcionamiento de la bomba, la cavitación, el consumo de energía
y la capacidad de control del sistema.
Compatibilidad.
Tiene gran importancia la compatibilidad del
fluido con los metales, con las juntas de ierre, etc.
También es esencial que el fluido ejerza una
protección contra la corrosión de los etales,
siendo el cobre uno de los menos deseables para
los sistemas hidráulicos por su poder
catalizador.
Estabilidad.
La estabilidad térmica e hidrolítica y la resistencia
a la oxidación son de gran interés para la vida útil tanto del fluido como del
equipo.
Velocidad de respuesta.
De ésta depende la precisión de movimientos de
los mecanismos dirigidos y depende de la viscosidad del fluido y sus
características de compresibilidad. La presencia de aire hace
disminuir esta velocidad y puede originar cavitaciones.
Resistencia de película y presión.
Esta es una propiedad muy compleja que está
relacionada con su capacidad para isminuir la fricción y el desgaste. La presión
es un factor esencial tanto para el rendimiento del fluido como para la vida
del equipo, por ello es necesario que para obtener una gran precisión en los movimientos
el fluido tenga una compresibilidad la más baja posible.
La consideración de todos estos parámetros,
permite definir las principales propiedades que deberá presentar un fluido que
sea adecuado para su utilización en transmisiones hidráulicas.
PRINCIPALES PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
HIDRÁULICOS.
1. Viscosidad apropiada.
2. Variación mínima de viscosidad con la
temperatura.
3. Estabilidad frente al cizallamiento.
4. Baja compresibilidad.
5. Buen poder lubricante.
6. Inerte frente a los materiales de juntas y
tubos.
7. Buena resistencia a la oxidación.
8. Estabilidad térmica e hidrolítica.
9. Características anticorrosivas.
10. Propiedades antiespumantes.
11. Buena demulsibilidad.
12. Ausencia de acción nociva.
LA IMPORTANCIA DE LOS ADITIVOS EN EL ACEITE
HIDRÁULICO
Cualquier aceite puede transmitir fuerza
hidráulica, pero una empresa que pretende ser proactiva en su mantenimiento
(eliminando las causas de fallas del equipo) debe encontrar el aceite que transmita
esa fuerza por un periodo más largo y con un mínimo de desgaste. Para lograr
esto hay que tomar en cuenta que el aceite hidráulico debe lubricar:
Engranajes
Rodamientos
Anillos
Pistones
Válvulas
Carretes
Aletas
Ejes
Retenes
Y muchas otras piezas en movimiento Las fichas
técnicas de los aceites hidráulicos deberían indicar por lo menos las pruebas
que pasa ese aceite. Hay muchos que indican pasar ciertas pruebas que en
realidad son para sistemas de baja presión (< 1,000 psi). En algunos casos
sus pruebas son de sistemas de muy baja presión o turbinas, sin embargo en las
hojas técnicas muestran figuras de palas cargadoras o grúas de alta tonelaje.
Esas figuras sugieren un uso que no es respaldado por sus propias pruebas.
Los desgastes en el sistema hidráulico dependen
del nivel de aditivos del aceite y su capacidad de mantener su viscosidad sin
espesarse por oxidación. Una parte de la lubricación se realiza mediante
lubricación hidrodinámica (mientras se mantenga la viscosidad correcta). Pero
cuando las presiones de trabajo suban sobre 1,000 psi (69 bar), se requiere de
un aceite con un buen nivel de aditivos para lubricación marginal.
Los fabricantes de equipos identifican el nivel
de protección estática requerido para proporcionar un buen desempeño del
equipo.
Para saber el nivel de protección que provee un aceite, se
comprueba en un banco de pruebas con la norma ASTM D 2882. Después de 1000
horas de operación, se mide la pérdida de peso en las paletas para determinar
si pasa o no esta prueba.
Cavitación
También es importante que el aceite hidráulico
tenga bastante anti-espumante. En muchos sistemas el aceite circula tan rápido
que el aceite puede llevar espuma al sistema si no tiene aditivos para reventar
las burbujas. La espuma llevada causará cavitación de la bomba y otras piezas
del sistema.
El aire entra al aceite por malas conexiones el
la línea de succión, exceso de agitación, bajo nivel de aceite en el tanque, o
poco tiempo para descansar.
La función del aditivo anti-espumante en el
aceite es de ayudar a la liberación del aire antes de que sea bombeado de
nuevo.
Oxidación
El aceite hidráulico oxida (aumenta viscosidad,
se hace oscuro y forma lacas) de acuerdo a la combinación de burbujas de
oxigeno con el aceite a altas temperaturas. Ente mas puro el aceite básico,
menos oxidación puede ocurrir (El aceite básico MAX-SYN® de AMERICAN es compuesto
de moléculas mas de 99% saturadas, evitando así mucha de la tendencia de oxidación.)
Para evitar oxidación rápida se aumenta aditivos anti-oxidantes. Algunos de
estos aditivos son de tecnología antigua (pero barata) y evaporan rápidamente
cuando el sistema
hidráulico pasa de 50ºC. Para saber el
comportamiento típico contra la oxidación, es importante revisar la ficha
técnica del producto para saber el valor de la prueba ASTM D-943 de oxidación.
Corrosión
Los sistemas hidráulicos son susceptibles a la
corrosión causada por el agua o la humedad que entra por el envase mal tapado o
mal almacenado, el respiradero, pérdidas de agua por el sistema de
enfriamiento. Mucha del agua entra por la condensación de la humedad en el ambiente
contra las paredes del tanque cuando es más frío que el aceite. Los aceites hidráulicos tienen que tener los
aditivos para evitar la corrosión en presencia de esta humedad.
Contaminación
Uno de los principales enemigos del sistema
hidráulico es la tierra. El reservorio tiene que
respirar para compensar por la expansión del
aceite en las temperaturas operacionales y
ambientales. El respiradero requiere un buen
filtro de aire para evitar la entrada de tierra. En esta tabla de la fábrica de
bombas Vickers podemos ver que la reducción de contaminación de 3 puntos en la
escala ISO duplica la vida útil del equipo. Los dos puntos críticos aquí son
evitar la entrada de tierra y eliminar la tierra que entra. El ahorro de unos
centavos en el filtro del respiradero y el filtro del aceite hidráulico le
puede costar miles de dólares en reparaciones antes de tiempo.
Los aditivos son sustancias químicas que se
añaden en pequeñas cantidades a los aceites lubricantes para proporcionarles o
incrementarles propiedades, o para suprimir o reducir otras que le son perjudiciales.
Aditivos Destinados A Retardar La Degradación
Del Lubricante.
Aditivos Detergentes-Dispersantes. Los aditivos
detergentes-dispersantes tienen la misión de evitar que el mecanismo lubricado
se contamine aun cuando el lubricante lo esté. La acción de estos dispersantes es
la evitar acumulaciones de los residuos, los cuales se forman durante el
funcionamiento de la máquina o motor y mantenerlos en estado coloidal de
suspensión por toda la masa del aceite.
Aditivos Anticorrosivos y antioxidantes. Para
proteger contra la corrosión a los materiales sensibles por una parte, y por
otra para impedir las alteraciones internas que pueda sufrir el aceite por
envejecimiento y oxidación, se ha acudido a la utilización de aditivos
anticorrosivos y antioxidantes.
Aditivos Antidesgastes. Cuando el aceite fluye
establemente lubricando cremalleras, bielas, bombas de aceite y camisas de
pistones, o cuando las partes a lubricar operan parcial o enteramente bajo condiciones
de lubricación límite, los aditivos antidesgaste son necesarios.
Agentes Alcalinos. Los agentes alcalinos
neutralizan los ácidos provenientes de la oxidación del aceite de forma tal que
no pueden reaccionar con el resto del aceite o la máquina.
Agentes Antiemulsificadores. Los agentes
antiemulsificadores reducen la tensión interfacial de manera que el aceite
puede dispersarse en agua. En la mayor parte de las aplicaciones de lubricación
la emulsificación es una característica indeseable. Sin embargo, existen
aplicaciones en las cuales los aceites minerales están compuestos de materiales
emulsificantes que los hacen miscibles en agua. Los llamados aceites solubles
usados con refrigerantes y los lubricantes usados en operaciones de maquinarias
dependen de agentes emulsificantes para su exitosa aplicación como fluido de
corte.
Aditivos mejoradores de las cualidades físicas
del aceite lubricante.
Aditivos Mejoradores del Índice de Viscosidad:
El proceso de trabajo de estos aditivos puede
explicarse como sigue: en presencia de bajas temperaturas las moléculas de
estas sustancias se contraen ocupando muy poco volumen y se dispersan en el
aceite
en forma de minúsculas bolitas dotadas de una
gran movilidad.
1.2.3 REPRESENTACION DE UN
SISTEMA DE MANDO
Los
elementos que componen este circuito son:
0.1
- Unidad de mantenimiento.
1.1
- Válvula 5/2 activa y retorno por presión.
1.2
- Válvula 3/2 con enclavamiento, para el avance.
1.3
- Válvula 3/2 con enclavamiento, para el retorno.
1.0
- Cilindro de doble efecto.
1.01
- Válvula estranguladora de caudal.
Cuando
se activa la válvula 1.2, el aire llega hasta el cilindro por la válvula
estranguladora 1.01, pero esta no opone ninguna resistencia al paso del aire y
el vástago sale con total normalidad.
Cuando
se pulsa la válvula 1.3 para que retorne, el aire que abandona al cilindro por
la válvula 1.01, sale por la estrangulación y hace que el vástago retorne
lentamente.
