Manual Vickers Hidraulica Cap 02

7/30/2019 Manual Vickers Hidraulica Cap 02

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Captulo 2

PRINCIPIOS DE LA ENERGA HIDRULICA

Este captulo est dividido en tres secciones:

Principios fundamentales de la hidrosttica Principios fundamentales de la hidrodinmica Smbolos grficos hidrulicos

Las dos primeras secciones desarrollarn los fundamentos de los fenmenos fsicos que se combinan para transferir potencia en el circuito hidrulico. La tercera seccin,que ilustra los smbolos grficos para los diagramas de los

circuitos, tratar de los tipos y funciones de lneas y componentes. Todo este material servir como base fundamental para los captulos siguientes sobre los elementos queconstituyen un sistema hidrulico.

2.1. PRINCIPIOS FUNDAMENTALESDE LA HIDROSTTICA

2.1.1. Una definicin precisa

Se ha observado que la palabra "hidrulica" procede delgriego y significa agua. Por consiguiente, puede suponerse

correctamente que la ciencia de la hidrulica concierne acualquier sistema accionado por agua. Una rueda hidrulicao turbina (fig. 2-1), por ejemplo, es un sistema hidrulico.

Sin embargo, hay que hacer una distincin entre los sistemas que utilizan el impacto de un lquido en movimientoy los que son accionados comprimiendo un fluido contenido en un recipiente cerrado; es decir, por presin.

Hablando propiamente:

*Un sistema hidrulico que utiliza el impacto o energa

cintica del lquido para transmitir energa se denomina sistema hidrodinmico.*Cuando el sistema es accionado por una fuerza aplicada

a un lquido contenido en un recipiente cerrado se le denomina sistema hidrosttico; siendo la presin la fuerza aplicada por unidad de superficie, y siendo expresada como fuerza por superficie unitaria (kp/cm2).

Desde luego, todas las ilustraciones indicadas hasta elmomento y, de hecho, todos los sistemas y equipos estudiados en este manual son hidrostticos. Todos actan comprimiendo un lquido contenido en un recipiente cerrado, esdecir, transfiriendo energa a travs de la presin.


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2.1.2. Cmo se crea la presin

La presin se origina siempre que se produce una resistenciaa la circulacin de un lquido, o una fuerza que trata de impulsar el lquido. La tendencia a suministrar caudal (o empuje) puede originarse mediante una bomba mecnica osimplemente por el peso del fluido.

Es un hecho bien conocido que en una columna de aguala presin aumenta con la profundidad. La presin es siem

pre la misma a una profundidad determinada, debido alpeso de la columna de agua situada sobre ella. En la pocade Pascal, un cientfico italiano llamado Torricelli demostr que si se hace un agujero en el fondo de un tanque deagua, el agua se escapa a a mxima velocidad cuando el tanque est lleno y que el caudal disminuye a medida que bajael nivel de agua. En otras palabras, a medida que disminuyela columna de agua sobre la abertura, tambin se reduce lapresin.

Torricelli pudo expresar la presin en el fondo del tanque solamente como "carga de agua" o sea la altura en metros de la columna de agua. Hoy en da, con el valor dekp/cm2 como unidad de presin, podemos expresar la presin en cualquier punto de un lquido o de un gas en trmi

nos ms convenientes. Todo lo que se necesita es conocerel peso de un dm3 del fluido.

Tal como se muestra en la figura 2-2, una columna de unmetro de agua es equivalente a 0.1 kp; una columna de aguade 5 metros equivale a 0.5 kp/cm2, y as sucesivamente. Talcomo se indic anteriormente, una columna de aceite dela misma altura es equivalente, aproximadamente, a 0.09kp/cm2 por metro.

En muchos lugares se utiliza el trmino "carga" para describir la presin, sin tener en cuenta cmo ha sido creadaPor ejemplo, se dice que una caldera crea una carga de vapor cuando la presin se origina vaporizando agua en urecipiente cerrado. Los trminos presin y carga se utilizana veces, indistintamente.

2.1.3. Presin atmosfrica

La presin atmosfrica no es otra cosa que la presin ejercida por el aire de nuestra atmsfera, debida a su propio pesoAl nivel del mar, una columna de aire de 1 cm2 de secciny cuya altura es la atmosfrica, pesa 1.03 kp (fig. 2-3). Aspues, la presin es 1.03 kp/cm2. A alturas ms elevadas, naturalmente la columna pesa menos y la presin es inferiorBajo el nivel del mar la presin atmosfrica es superior 1 kp/cm2.

Cualquier condicin donde la presin sea inferior a lpresin atmosfrica se denomina vaco o vaco parcial. Uvaco perfecto es la ausencia total de presin o sea kp/cm2 absolutos.

2.1.4. El barmetro de mercurio

La presin atmosfrica tambin puede medirse en milmetros de mercurio (mm.Hg) mediante un aparato llamadbarmetro.

El barmetro de mercurio (fig. 2 4), inventado por Torrcelli, se considera generalmente como el punto de partida y


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la inspiracin de los estudios de Pascal sobre la presin. To-rricelli descubri que cuando se invierte un tubo lleno demercurio, sumergindolo en un recipiente abierto que contenga el mismo lquido, la columna del tubo desciende slo una cierta distancia. Su razonamiento fue que la presinatmosfrica sobre la superficie del lquido equilibraba elpeso de la columna de mercurio al existir un vaco perfectoen la parte superior del tubo.

En una atmsfera normal, la columna tendr siempreuna altura de 760 mm. As pues, 760 mm de mercurio sonotro equivalente de la presin atmosfrica.

2.1.5. Medida del vaco

Como el vaco es una presin inferior a la atmosfrica, puede medirse con las mismas unidades. Es decir, el vacopuede expresarse en kp/cm2 o en mm de mercurio.

La mayora de los vacumetros, sin embargo, estn calibrados en mm de mercurio. Un vaco perfecto, que equilibra una columna de mercurio de 760 mm de altura, es 760mm. El vaco absoluto viene indicado con un cero en la escala del vacumetro.

2.1.6. Resumen de escalas de presin y vaco

Puesto que hemos mencionado varias formas de medir lapresin y el vaco, sera conveniente resumir las diferentesunidades.

Tal como se indica en la figura 2-5, he aqu el resumde las diversas medidas:

1. Una atmsfera es una unidad de presin equivalent1.03 kp/cm2 (el peso de una columna de aire de 1 cde seccin sobre la superficie de la tierra o 760 mmuna columna de mercurio).

2. Los mm absolutos de mercurio son una escala que pieza en el vaco perfecto (cero). La presin atmosfca es 760 mm en esta escala.

3. Los mm manomtricos de mercurio se calibran enmismas unidades que los mm absolutos pero sin tenecuenta la presin atmosfrica.

4. Para pasar de mm absolutos a mm manomtricos:

mm manomtricos + 760 = mm absolutosmm absolutos - 760 = mm manomtricos

5. La presin atmosfrica en la graduacin del barmees 760 mm.Hg. Comparndolo a la escala absoluta

kg/cm2

es evidente que:

1 kg/cmJ (abs) = 760 mm.Hg1 kg/cm2 (man) = 1520 mm.Hg

6. Una atmsfera es equivalente a la presin ejercida una columna de agua de 10.3 m o de aceite de 11.2


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2.2. PRINCIPIOS FUNDAMENTALESDE LA HIDRODINMICA

2.2.3. Caudal y velocidad

2.2.1. Caudal

El caudal origina el movimiento del actuador. La fuerzapuede transmitirse mediante presin nicamente, pero elcaudal es esencial para producir un movimiento. El caudal

del sistema hidrulico es suministrado por la bomba.

2.2.2. Cmo se mide el caudal

Existen dos maneras de medir el caudal de un lquido:

2.2.2.1. Velocidad. Es la velocidad media de las partculasdel lquido en un punto determinado o la distancia mediaque las partculas recorren por unidad de tiempo. Se mideen metros por segundo o en metros por minuto.

2.2.2.2. Caudal. Es la cantidad de lquido que pasa por unpunto, por unidad de tiempo. Los caudales grandes se miden en litros por minuto. Los caudales pequeos pueden expresarse en cms /minuto.

En la figura 2-6 puede verse la diferencia entre velocidady caudal. Un caudal constante de un litro por minutoaumenta o disminuye de velocidad cuando la seccin de latubera cambia de tamao.

La velocidad de un actuador hidrulico, tal como se indicen el captulo 1, depende siempre del tamao del actuadory del caudal que acta sobre l.

Como el volumen de un actuador se expresa generalmente en litros, hay que tener en cuenta que:

1 1/min = 1 dm3/min = 1000 cm3/min

2.2.4. Caudal y cada de presin

Cuando un lquido fluye tiene que existir un desequilibriode fuerzas para originar el movimiento. Por consiguiente,cuando un lquido circula a travs de una tubera de dimetro constante, la presin ser siempre inferior en un puntoms abajo de la corriente que en otro punto situado a contracorriente. Se requiere una diferencia de presiones, o cada de presin, para vencer el rozamiento en la lnea. La figura 2-7 muestra la cada de presin debida al rozamiento.Las cadas de presin sucesivas (desde la presin mximahasta la presin cero) vienen representadas por las diferen

cias de nivel del lquido en los tubos verticales sucesivos.

2.2.5. El fluido busca un nivel

Inversamente, cuando no hay diferencia de presiones en unlquido, la superficie del mismo permanece horizontal, talcomo se indica en la figura 2-8. Si la presin aumenta en un


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punto (Vista B), el nivel del lquido sube hasta que el pesocorrespondiente compensa la diferencia de presiones. La di

ferencia de alturas, en el caso del aceite, es un metro por cada 0.09 kp/cma. As pues, puede verse qu diferencias adicionales de presin sern necesarias para hacer que un lquido ascienda por una tubera venciendo la fuerza debida alpeso del lquido. Al disear un circuito, debe aadirse a lapresin necesaria para mover la carga la requerida para mover la masa de aceite y para vencer el rozamiento.

En la mayora de las aplicaciones, un buen diseo reducelas cadas de presin hasta el punto de que resultan prcticamente despreciables.

2.2.6. Rgimen laminar y turbulento

Idealmente, cuando las partculas de un lquido circulanpor una tubera se mueven segn trayectorias rectas y para

lelas. Este rgimen se denomina laminar (fig. 2-9) y se produce a baja velocidad, en tuberas rectas. Con rgimen laminar el rozamiento es menor.

Cuando las trayectorias de las partculas no son paralelasy se cruzan, el rgimen se denomina turbulento (fig. 2-10).El rgimen turbulento se origina por cambios bruscos en ladireccin o en la seccin, o por una velocidad demasiadoelevada. El resultado es un rozamiento mucho mayor queorigina calentamiento, aumenta la presin de trabajo y malgasta potencia.

2.2.7. Teorema de Bernoulli

El fluido hidrulico, en un sistema que trabaja, contienenerga bajo tres formas: energa cintica que depende de velocidad y masa del fluido, energa potencial que dependde su posicin, y energa de presin que depende de su compresin.

Daniel Bernoulli, un cientfico suizo, demostr que, eun sistema con caudal constante, la energa se transformde una forma u otra cada vez que se modifica el rea de seccin transversal de la tubera.

El principio de Bernoulli afirma que la suma de las enegas cintica, potencial y de presin, en distintos puntos dsistema, debe ser constante. Al variar el dimetro de la tubra (fig. 2-11) la velocidad cambia. As pues, la energa cintica aumenta o disminuye. Ahora bien, la energa no puedcrearse ni destruirse. Por lo tanto, la variacin de energ

cintica debe ser compensada por un aumento o dismincin de la energa de compresin, es decir, de la presi

La utilizacin de un tubo de Venturi en el carburador dun automvil (fig. 2-12) es un ejemplo familiar del teoremde Bernoulli. La presin del aire, que pasa a travs del cuepo del carburador, disminuye cuando pasa por un estranglamiento. La disminucin de presin permite que fluya gasolina, se vaporice y se mezcle con la corriente de air

La figura 2-13 muestra los efectos del rozamiento y dcambio de velocidad sobre la presin en una tubera.

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2.3. SMBOLOS GRFICOS HIDRULICOS

Los circuitos hidrulicos y sus componentes pueden representarse de varias formas en los planos. Segn lo que la representacin deba indicar, puede ser un esquema de la forma externa del componente, un corte seccional que muestre su construccin interna, un diagrama grfico que nos

indique su funcin, o una combinacin de cualquiera de lastres formas anteriores.En este manual es necesario utilizar los tres tipos. En la

industria, sin embargo, los smbolos y diagramas grficosson los ms utilizados. Los smbolos grficos son la "taquigrafa" de los diagramas de circuitos, utilizndose formasgeomtricas sencillas que indican las funciones e interconexiones de las lneas y de los componentes.

En el apndice de este manual se reproduce la normalizacin completa de smbolos grficos. A continuacin seexponen brevemente los smbolos ms comunes y su modode empleo, conjuntamente con una clasificacin abreviadade algunos componentes y lneas hidrulicas.

2.3.1. Lneas

Las tuberas, tubos y pasos hidrulicos se representan comolneas simples (fig. 2-14). Existen tres clasificaciones fundamentales.

Una lnea principal (trazo continuo) transporta el caudalprincipal del sistema. En los diagramas grficos incluyen lalnea de aspiracin o entrada de la bomba, las lneas de presin y las de retorno al tanque.

Una lnea piloto (trazos largos interrumpidos) lleva el

fluido que se usa para controlar el funcionamiento de unvlvula o de otro componente.

Una lnea de drenaje (trazos cortos interrumpidos) llevel aceite de drenaje al tanque.

2.3.2. Componentes giratorios

Un crculo es el smbolo bsico para los componentes giratorios. Los tringulos de energa (fig. 2-15) se colocan elos smbolos para indicar que son fuentes de energa (bombas) o receptores de energa (motores). Si el componente eunidireccional el smbolo slo tiene un tringulo. Una bomba o motor reversible se dibuja con dos tringulos.

2.3.3. Cilindros

Un cilindro se dibuja como un rectngulo (fig. 2-16) indcando el pistn, el vastago y las conexiones de los orificioUn cilindro de simple efecto se dibuja abierto en el extremdel vastago y solamente con un orificio de entrada enotro extremo. Un cilindro de doble efecto se representa crrado y con dos orificios.

2.3.4. Vlvulas

El smbolo bsico de una vlvula es un cuadrado que se denomina envoltura (fig. 2-17). Las flechas se aaden a las evolturas para indicar el paso y direccin del caudal.

Las vlvulas de posiciones infinitamente variables, tales co

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mo las vlvulas de seguridad, tienen envolturas simples. Pueden tomar cualquier posicin, entre completamente abiertasy completamente cerradas, segn el volumen de lquido quepase por ellas.

Las vlvulas de posicin finita son las vlvulas direcciona-les. Sus smbolos contienen una envoltura individual paracada posicin que pueda adoptar la vlvula.

2.3.5. Smbolo del tanque

El depsito se dibuja en forma de rectngulo (fig. 2-18)abierto en su parte superior, en el caso de un tanque conrespiradero, y cerrado para un tanque presurizado. Por conveniencia se pueden dibujar varios smbolos en un diagrama,aunque haya solamente un depsito.

Las lneas de conexin se dibujan hasta el fondo del smbolo cuando las tuberas terminan bajo el nivel del lquidoen el tanque. Si una lnea termina sobre el nivel del lquido,se dibuja slo hasta la parte superior del smbolo.

2.4. CONCLUSIN

La figura 2-18 muestra el diagrama grfico de un circuito hidrulico completo. Obsrvese que no se trata de representarel tamao, forma, situacin o construccin de los componentes. El diagrama muestra la funcin y las conexiones, lo quees suficiente para la mayora de las necesidades en la prctica.

En los captulos que tratan sobre los elementos y sistemas se expondrn las variaciones y precisiones sobre estossmbolos bsicos.

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2.5. CUESTIONARIO

1. Qu es un dispositivo hidrodinmico?

2. Cul es la diferencia entre ste y un dispositivo hidros-ttico?

3. Citar los sistemas que obliguen a un lquido a fluir.

4. Qu es una carga de presin?

5. Cunto vale la presin atmosfrica medida en kp/cm2 ?Y en mm de mercurio? Y en metros de agua?

6. Cmo se soporta la columna de mercurio en un bar

metro?7. Expresar 2 kp/cm2 marcados por un manmetro en

presin absoluta.

8. Cules son las dos formas de medir un caudal?

9. Expresar 5 1/min en cm3 por minuto.

10. Qu ocurre cuando se somete un lquido a diferentespresiones?

11. Cuntas presiones individuales hay que sumar para o

tener la presin de trabajo de una bomba?12. Qu es rgimen laminar?

13. Citar algunas causas que originan turbulencia.

14. Cules son las dos formas en que encontramos eneren un fluido hidrulico?

15. Cul es el teorema de Bernoulli?

16. Indicar tres tipos de lneas de trabajo y explicar qhace cada una.

17. Cules son los smbolos grficos para una bomba y ra un motor?

18. Cuntas envolturas existen en el smbolo para una vvula de seguridad?

19. Cules son las lneas de conexin que se dibujan enfondo del smbolo que representa el depsito?

20. Cuntas posiciones tiene la vlvula direccional defigura 2-18? Y una vlvula de seguridad?

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