texto3- caudal y generacion de presion

UNIDAD III

Caudal y Generación dePresión

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ÍndiceUnidad III : “Caudal y Generación de Presión”

1. CAUDAL ................................................................................................................... 11.1. FLUJO VOLUMÉTRICO ...................................................................................... 11.2. CONTINUIDAD ................................................................................................. 11.3. CAUDAL EN UNA BOMBA O MOTOR EN REGIMEN CONTINUO.

DESPLAZAMIENTO VOLUMÉTRICO .................................................................... 41.4. MEDICIÓN DEL CAUDAL ................................................................................... 5

1.4.1. CAUDALÍMETRO .................................................................................... 62. GENERACIÓN DE LA PRESIÓN ................................................................................... 7

2.1. SISTEMA EN PARALELO .................................................................................... 92.2. SISTEMA EN SERIE..........................................................................................102.3. CAÍDA DE PRESIÓN.........................................................................................11

Tecsup Virtu@l Mandos Hidráulicos

Pag. 1 Unidad III

UNIDAD III

“CAUDAL Y GENERACIÓN DE PRESIÓN”

1. CAUDAL

1.1. FLUJO VOLUMÉTRICO

El caudal es el flujo volumétrico. Es decir es el volumen de fluido V que fluye por unpunto en el tiempo t.

QVt

=

V12

6

39

t

Fig. 3.1

Ejemplo:Si queremos llenar un depósito cuyo volumen es de 20 litros en el tiempo de dosminutos, se necesita un caudal:

QVt

lmin

lmin

= = =20

210

Aplicación:Con este concepto es posible determinar el caudal que entrega una bomba con solocontar con un recipiente graduado y un reloj o cronómetro. Como aplicación practica

podríamos determinar el caudal (l

min) que entrega el caño de su casa, con la ayuda

de un balde con volumen conocido (comúnmente de 10 a 30 litros) y un reloj.

1.2. CONTINUIDADPor continuidad, para fluidos incompresibles, el caudal es el producto de la Velocidadpor el Area.

Q v A= ×

Q Q1 2=v A v A1 1 2 2× = ×


Pag. 2 Unidad III

Es muy común usar una relación alternativa que toma en cuenta la conversión deunidades.

Q v A= × ×6 Donde:

Ql

m i n

vms

A c m

⇒

⇒

⇒ 2

Aplicación:

M

BOMBA HIDRAULICA

Q

D1

D0 QSUCCION = Q

QDESCARGA = Q

QEMBOLO = Q QVASTAGO Q≠

Fig. 3.2

La bomba envía caudal constante hacia el sistema en forma continua.La bomba toma aceite del tanque y lo envía hacia el sistema.La línea de succión tiene un mayor diámetro que la línea de descarga:Luego concluimos:• “El caudal es el mismo en la línea de succión y en la línea de descarga”.• “La velocidad en la zona de succión es menor que en la zona de descarga ”.• “El caudal en la tubería es igual al caudal en la zona del embolo del pistón”.• “La velocidad del fluido es mayor en la tubería que en la zona del embolo del

pistón”.• “El caudal en el lado del émbolo es diferente al caudal al lado del vástago del

cilindro”.• “La velocidad es la misma al lado del émbolo que al lado del vástago”.


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OBSERVACIONES:

• El teorema de continuidad se aplica a una línea de corriente por lo que el caudalen el lado del embolo del cilindro es diferente al caudal en el lado del vástago PORQUE NO HAY CONTINUIDAD:

QÉMBOLO ≠ QVÁSTAGO

• El desplazamiento del volumen de aceite determina la velocidad del actuador.Luego: “Si un actuador pistón o motor está lento es porque no le llega suficientecaudal y no porque le falte presión“.

• La RAPIDEZ CON QUE SE TRANSMITE LA SEÑAL ES DE:

smv SEÑALNTRANSMISIO 600=−

• Como se observa los caudales y las áreas determinan la velocidad del fluido. Estasvelocidades del fluido están limitadas por las perdidas de energía que causandebido al rozamiento entre el fluido mismo y el rozamiento con las tuberías por loque se recomienda las siguientes velocidades máximas en las tuberías de SistemasHidraulicos:

VELOCIDADLíneas de Succión v < 1,5 m/sLíneas de Retorno a Tanque v < 3,0 m/sLíneas de Presión v < 5,0 m/sVelocidad de los Actuadores v < 1,0 m/s

Ejemplo 1:Determinar el caudal Q en l/min i en GPM que llega al pistón si tiene una velocidad desalida de 0,1 m/s

M Q

Q LLEGA AL PISTON

Q S

ALE

DE

L PIS

TON

100 50

unidades: mm

v = 0,1 m / s

Fig. 3.3


Pag. 4 Unidad III

Solución:

vms

= 0 1,

AD

cm= = =π π2 2

2

410

478 54,

Q v A= × ×6

Qms

cml

min= × × =6 0 1 78 54 47 132, , ,

45,12785,3

113,47 =

=

minl

GPMxmin

lQ

Ejemplo 2:

Determinar el caudal Q ( l/min ) que sale del pistón para el ejemplo anterior.Solución:

vms

= 0 1,

AD d

cm=−

=

−

=π π

2 2 2 22

410 5

458 90,

Q v A= × ×6

Qms

cml

min= × × =6 0 1 58 90 35 342, , ,

1.3. CAUDAL EN UNA BOMBA O MOTOR EN REGIMEN CONTINUO.DESPLAZAMIENTO VOLUMÉTRICO

Una bomba tiene una característica geométrica muy importante denominadadesplazamiento volumétrico DV o volumen de expulsión definida como el volumen defluido que desplaza o que impulsa en una revolución ( cm3 / rev ).Si una bomba gira n revoluciones por cada minuto el caudal que envía (recibe) será:En el caso de un motor hidráulico se denomina Volumen Absorbido VA.

Q DV n= ×

BOMBA HIDRAULICAcaracterística fisica = D.V.

Q = DV.n

n

Fig. 3.4


Pag. 5 Unidad III

Ejemplo:Calcular del caudal ( GPM ) que impulsa una bomba de engranajes si tiene undesplazamiento volumétrico DV de 10 cm3 por revolución y esta acoplada a un motoreléctrico de 1800 rpm.

Solución:

Revoluciones: n RPMrevmin min

min= = = = −1800 1800 18001

1800 1

Desplazamiento Volumétrico : DV cm= 10 3

Q DV n

Qcmrev

revmin

Qcmmin

lmin

Ql

minGalon

lGPM

= ×

= ×

= =

= × =

10 1800

18000 18

1813 785

4 76

3

3

,,

Aplicaciones:

• El Desplazamiento Volumétrico es el parámetro mas importante para laselección de una bomba o motor hidráulico.

• El Desplazamiento Volumétrico es sinónimo de tamaño o Volumen:“Una bomba pequeña tendrá un DV pequeño e impulsa poco caudal yuna bomba grande tendrá un DV grande e impulsa bastante caudal”.

• El Desplazamiento Volumétrico de una bomba o motor hidráulico se puededeterminar aproximadamente en forma práctica llenando las cavidad de la bombacon aceite hidráulico y luego se vierte este volumen en un recipiente graduado.Este valor se multiplica por las rpm del motor que accionará a la bomba ( Si eseléctrico: 1800 rpm, 3600 rpm; Si es de combustión interna 1500...4000 rpm ).Algunos catálogos toman el valor de 1500 rpm para evaluar un caudal estándar dela bomba.

• También se puede evaluar el desplazamiento volumétrico a través de relacionesgeométricas de su estructura interna que están en función del tipo de bomba.

1.4. MEDICIÓN DEL CAUDAL La forma más sencilla de medir el caudal es utilizando un recipiente graduado ( V )y un cronómetro ( t ) , no obstante es recomendable emplear caudalímetros.


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1.4.1. CAUDALÍMETRO

Instrumentos que miden el caudalSe representan:

Fig. 3.5

Tipos:

TURBINAS DE MEDICIÓN: Sus revoluciones indican la magnitud del caudal;es decir, las revoluciones son proporcionales al caudal.

5 4 03

n ≈Q

Fig. 3.6

DIAFRAGMA: La pérdida de presión medida en el diafragma es proporcionalal cuadrado del caudal. “Un aumento en el caudal produce un aumentocuadrático de la caida de presión”.


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p∆

p 1 p 2

p 2 ∆≈Q

Fig. 3.7Se muestra un caudalimetro de 0 ... 5 l/min cuyo principio es la caida depresión en el elemento móvil:

Fig. 3.8

2. GENERACIÓN DE LA PRESIÓN

“La presión se origina, cuando el caudal encuentra una resistencia a su desplazamiento”.Definiciones previas:

BOMBA OLEOHIDRÁULICA: Envía caudal al sistema.VÁLVULA DE SEGURIDAD: Válvula que apertura (deja pasar al fluido) al valor

en presión al que ha sido regulada.V. DE ESTRANGULAMIENTO: Genera resistencia al paso del fluido.

Se muestra una bomba que envía un caudal de 10 l/min. , tiene su salida conectada a unaválvula de seguridad regulada a 80 bar y a una válvula de apertura – cierre.Si la válvula de apertura – cierre esta totalmente abierta, no hay resistencia; el caudal queenvía la bomba pasa libremente y la presión en el manómetro marca cero (realmente elmanómetro debe de indicar un pequeño valor debido a la fricción y a las pérdidas de energíaen la tubería).


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BOMBA

10 l/min

VALVULADE

SEGURIDAD

VALVULA APERTURA - CIERRE0 bar

Fig. 3.9

A medida que se va cerrando la válvula, se va aumentando la resistencia al paso del fluido yla lectura en el manómetro empezará a aumentar, si seguimos cerrando, la presiónaumentará sin límite debido a que la bomba siempre envía 10 l/min.

BOMBA

10 l/min

VALVULADE

SEGURIDAD

VALVULA APERTURA - CIERRE↑ p

Fig. 3.10

Pero al llegar a 80 bar, se abre la válvula de seguridad y deja pasar todo el fluido, nodejando que la presión sobrepase este límite. Por ello es importante la válvula de seguridaddenominada realmente Válvula Limitadora de Presión.


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BOMBA

10 l/min

VALVULADE

SEGURIDAD

VALVULA APERTURA - CIERREp = 80 bar

Fig. 3.11

Cuando los fluidos se desplazan tienen varias alternativas de caminos a seguir:

2.1. SISTEMA EN PARALELO

“Cuando los caminos alternativos en paralelo ofrecen resistencias diferentes el fluidotoma el camino de menor resistencia”.

Ejemplo:En la figura 3.12 la bomba envía 10 I/min. Las tuberías A, B y C, ofrecen resistenciasal paso del fluido de 10 bar, 30 bar, y 50 bar respectivamente.Al tener varias alternativas de circulación el fluido pasará por el camino que menorresistencia le ofrece, en este caso la tubería A y el manómetro marcará 10 bar.

A

C

B

OFRECE UNA RESISTENCIAEQUIVALENTE A 10 BAR

10 barOFRECE UNA RESISTENCIA

EQUIVALENTE A 30 BAR


BOMBA

FFiigg.. 33..1122


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Si se bloquea el tubo A (Fig. 3.13), el manómetro marcará 30 bar. ( menor resistenciaentre las tuberías de las alternativas B y C ).

A

C

B

30 barOFRECE UNA RESISTENCIA

EQUIVALENTE A 30 BAR


BOMBA

CERRADO

Fig. 3.13

Si se bloquea las tuberías A y B el fluido pasara por la tubería C indicando elmanómetro 50 bar.

2.2. SISTEMA EN SERIE

“Cuando hay solo un camino con diversas resistencias, las resistencias evaluadas entérminos de presión se suman”.

Ejemplo:

En este caso, la presión indicada en el manómetro es la resistencia equivalente a lasuma de las resistencias de 30 bar y 10, es decir 40 bar.


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CB

40 bar

OFRECE UNA RESISTENCIAEQUIVALENTE A

30 BAR

OFRECE UNA RESISTENCIAEQUIVALENTE A

10 BAR

BOMBA

FFiigg.. 33..1144

Si se invierten las resistencias igualmente la presión indicada por el manómetro serála suma de las dos resistencias, es decir 40 bar.

2.3. CAÍDA DE PRESIÓNCuando el fluido pasa por un paso restringido o cualquier elemento que le representaresistencia, se produce una diferencia de presión (caída de presión). Se denominacaída de presión, puesto que si un fluido circula por un orificio, la presión a la salidadel orificio, (en el sentido de la corriente), es menor que la presión a la entrada.

∆p p p= −1 2

barpp

301040

=∆−=∆

CB

10 bar40 bar

bar 30 =∆p

FFiigg.. 33..1155


Pag. 12 Unidad III

Dicha caída de presión depende principalmente de la velocidad con que circula elfluido

2kvp =∆

Pero influyen una serie de parámetros como:• La viscosidad del fluido• La temperatura del fluido• El área (diámetro) del estrangulamiento• El caudal que realmente circula• La rugosidad• La longitud• La forma del conducto.

Ejemplo:Si a través de la misma tubería circula mayor caudal la caída de presión aumenta.

barpp

16020 - 180

=∆=∆

CB

20 bar180 bar

bar160=∆p

FFiigg.. 33..1166

Lógicamente si no hay caudal, la caída de presión es cero, lo que no indica que noexista presión.

(La presión es igual en todos los puntos de un recipiente que mantiene a un fluido enreposo).

barpp

02020

=∆−=∆ CB

20 bar20 bar

bar 0 =∆p

FFiigg.. 33..1177


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Estos valores los podemos representar a través del gráfico:

2kQp =∆

PÉRDIDAS EN FUNCIÓN DEL CAUDAL

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6 7

CAUDAL ( Q )

PER

DID

AS

( - p

)

Fig. 3.18

La generación de presión es sinónimo de energía disponible.Las caídas de presión son sinónimos de energía pérdida.Por efecto de las caídas de presión se condicionan los diseños, tamaños, formas, etc.La importancia de estos temas radica en que leyendo los valores de presióncorrespondientes es posible diagnosticar el funcionamiento o la falla de un sistemahidráulico.

FIN DE LA UNIDAD

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