Ascensores hidráulicos: configuración de la unidad de potencia, parte II

Este artículo analiza algunos de los conceptos básicos de los elevadores hidráulicos y la configuración de sus unidades de potencia.

por Parag Mehta y el Dr. Ferhat Celik

En la primera entrega de esta serie (ELEVATOR WORLD, diciembre de 2010) se abordó la selección de componentes como la bomba, el motor, la válvula de control de caudal, los cilindros y la válvula de ruptura de tuberías. Este artículo final servirá como guía para la selección de componentes como el tanque hidráulico, el aceite y el enfriador de aceite. En este artículo también se explica cómo se debe poner en funcionamiento correctamente una unidad de potencia de ascensor para que funcione sin problemas y cómo se pueden diseñar de forma óptima las tuberías hidráulicas. Además, se tratarán los accesorios que proporcionan una mayor seguridad.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Después de leer este artículo, debería haber aprendido sobre:
• La unidad de potencia de un elevador hidráulico
• Tanques hidráulicos, aceite y enfriadores de aceite de una unidad de potencia
• Seleccionar el tanque, aceite y enfriador de aceite correctos para una unidad de potencia
• Pautas importantes para la instalación y puesta en servicio de un elevador hidráulico Tuberías en una unidad de potencia hidráulica

Introducción

Por lo general, se presta poca atención a la selección del tanque y el aceite hidráulico utilizados en una unidad de potencia de ascensor. Desafortunadamente, muchos tienen una idea errónea, como, "¿Qué tiene de técnico un tanque de chapa metálica fabricada y el aceite hidráulico?" De esta manera, los enfriadores de aceite pueden ignorarse cuando sea necesario y pueden evitarse accesorios importantes debido a la falta de conocimientos. Solo la selección incorrecta del tamaño del tanque y el aceite hidráulico podría causar problemas en el elevador hidráulico, que no se entregaría a pesar de los mejores componentes de fabricantes de renombre. Tener en cuenta algunos principios básicos no solo le daría a la unidad de potencia la estabilidad térmica necesaria, sino, a cambio, mantenimiento y funcionamiento sin problemas.

No es raro que los fabricantes de unidades de potencia entreguen los sistemas a las empresas de ascensores que, a veces, tienen poca o ninguna experiencia en la puesta en servicio de ascensores hidráulicos. El manejo inadecuado del sistema, la falta de protección contra el polvo en el sitio (donde la construcción está en curso) y la puesta en servicio inadecuada de todo el sistema se suman a los problemas.

El componente más grande de la unidad de potencia: el tanque

Un tanque hidráulico almacena aceite. Si bien es simple pensar en un tanque como un contenedor cerrado, hay mucho más que eso. Hay diferentes tipos y formas de tanque disponibles, pero el más común sería algo similar al que se muestra en la Figura 1. Dependiendo del diseño y la fabricación de la unidad de potencia, algunos fabricantes suministran tanques no metálicos que no son adecuados para la disipación de calor. Un tanque hidráulico cumple las siguientes funciones principales:

1. Alojar la bomba (y, en algunos casos, el motor)
2. Almacenamiento de aceite
3. La disipación de calor
4. Proporciona un lugar para la expansión del fluido hidráulico.
5. Apoya la unidad

Las instalaciones convencionales con sala de máquinas están dando paso lentamente a las instalaciones hidráulicas sin sala de máquinas (MRL) en el segmento de ascensores domésticos. En este caso, el depósito suele estar oculto y compacto, y suele encontrarse debajo de una escalera o en un armario (Figura 2).

A menudo se debate sobre el tamaño que debe tener el tanque. Como regla general, el tamaño del tanque debe calcularse por un factor de dos a dos veces y media la salida de la bomba. Eso significa que si el sistema tiene una bomba que entrega 60 litros por minuto, el tanque debe ser lo suficientemente grande para contener 120-150 litros de aceite, más un 10% de espacio adicional para colchón de aire. Sin embargo, el tamaño del tanque y el volumen de aceite que contiene deben elegirse teniendo en cuenta el equilibrio térmico del sistema. En ningún caso el nivel de aceite debe caer por debajo de la entrada de la bomba, lo que provocaría que la bomba funcione en seco y crearía un efecto de remolino. El calor generado en el sistema se transfiere efectivamente al medio ambiente desde los lados del tanque; por lo tanto, lo más deseable es un tanque de volumen con los lados más grandes posibles (en forma de prisma cuadrado o rectangular). Estos tienen la mayor superficie de transferencia de calor por unidad de volumen. Por lo tanto, cuando sea posible, el perfil del tanque debe ser profundo y estrecho, en lugar de poco profundo y ancho. La disipación de calor se puede mejorar aumentando la superficie del tanque y montándolo sobre patas para elevar su parte inferior al menos 150 milímetros desde el nivel del suelo. Esto también facilita el mantenimiento y el drenaje del aceite.

Se utiliza una placa ligeramente más gruesa para la placa inferior y placas más pesadas para las tapas superiores para garantizar un funcionamiento sin vibraciones, especialmente con motores externos. Si el tanque está hecho de láminas de metal, tanto el exterior como el interior deben pintarse. El templado in situ de la unidad de potencia también se puede evitar diseñando el tanque de manera que la tapa cubra la válvula de control y otros componentes del sistema (Figura 3). Esto también ayuda a aislar el sistema del entorno sucio y hace que la unidad de potencia sea silenciosa.

Al instalar ascensores hidráulicos en lugares como centros comerciales o aeropuertos donde las unidades manejan mucho tráfico, tendría mucho sentido seleccionar un tanque sobredimensionado que pudiera contener más aceite, desacelerando así la generación de calor y aumentando la disipación de calor del sistema. . El mismo principio se aplica a los climas cálidos, donde la temperatura ambiente a menudo se eleva en verano. Fabricar un tanque más grande y tener más aceite solo equivaldría a una inversión inicial ligeramente mayor y ofrecería una ventaja diaria considerable durante todo el ciclo de vida del elevador.

El fluido en la unidad de potencia: aceite

El aceite hidráulico transmite la energía generada por la bomba al cilindro. Por lo tanto, es un medio importante de transferencia de energía y su selección debe considerarse bien. Idealmente, el aceite hidráulico debería tener las siguientes características:

1. Viscosidad estable con cambios de presión y temperatura
2. Características físicas y químicas estables
3. Buenas cualidades de disipación de calor.
4. Resistencia al fuego (si las regulaciones lo requieren)
5. Buenas características de lubricación y capacidad para prevenir la formación de óxido.
6. Bajo coeficiente de expansión.
7. No tóxico, fácil de manejar y fácilmente disponible.

El mejor fluido hidráulico para la aplicación de ascensores es uno con un cambio de viscosidad relativamente bajo cuando cambia la temperatura del aceite. La temperatura y la viscosidad del aceite hidráulico están inversamente relacionadas; eso significa que la viscosidad del aceite disminuye con un aumento de temperatura. Por ejemplo, el aceite cotizado como conforme a ISO 22 tendrá una viscosidad de 22 milímetros cuadrados por segundo (cSt) a 40 ° C. Sin embargo, el mismo aceite tendría una viscosidad cinemática de 7 cSt a 80 ° C. Al seleccionar el grado de viscosidad para un sistema de ascensor en particular, la viscosidad inicial a temperatura ambiente mínima; temperatura de funcionamiento máxima esperada; y debe tenerse en cuenta el rango de viscosidad permisible y óptimo para la bomba, el motor y la válvula de control. Las aplicaciones en las que el elevador hidráulico va a experimentar un tráfico intenso junto con temperaturas ambiente cálidas deben utilizar preferiblemente aceite con un índice de viscosidad (VI) más alto después de consultar con los fabricantes de componentes sobre su idoneidad.

VI es una representación de un solo número de las características de temperatura de viscosidad de un fluido. Cuanto mayor sea el VI, menor será la variación de viscosidad para un cambio dado de temperatura, o viceversa. Se dice que los aceites con un VI de 80 o más tienen un valor de VI alto. Se considera que los aceites con un VI entre 80 y 40 tienen un valor medio, y aquellos por debajo de 40 tienen un valor bajo.

El termostato de la unidad de potencia: el enfriador de aceite

La primera ley de la termodinámica establece que la energía no puede crearse ni destruirse, simplemente transformarse de un tipo de energía a otro. En un sistema de ascensor hidráulico, se debe agregar energía al aceite hidráulico para elevar la cabina a su destino. Se necesita una fuente de energía, como un motor eléctrico, para impulsar una bomba y convertir la energía mecánica en flujo. La resistencia al flujo en el sistema hidráulico crea presión, que energiza y activa el cilindro. Por lo tanto, el sistema de ascensor hidráulico completo es en realidad un sistema de transferencia de energía.

Las válvulas de alivio de presión mal ajustadas, la viscosidad inadecuada del aceite, la temperatura ambiente alta, la ubicación incorrecta del tanque, la ventilación deficiente, el tamaño y el diseño del tanque insuficientes y las unidades de energía expuestas a la luz solar son algunos factores externos que pueden reducir la capacidad de un sistema hidráulico para disipar el calor. Uno de los principales objetivos del diseño de unidades de potencia es equilibrar las pérdidas de calor a una temperatura aceptable del aceite mediante la transferencia natural de calor del aceite a las tuberías, los actuadores y el depósito, y su posterior disipación en el aire. El cálculo de la temperatura del equilibrio térmico (térmico) requiere una verdadera suma matemática del calor que entra y sale del sistema hidráulico. Para obtener una estimación realista, se deben calcular simultáneamente muchos factores (tanto internos como externos). Algunos de estos son:

1. Factor de carga medio del ascensor
2. Factor de viaje promedio
3. El motor promedio arranca por hora
4. Tiempo total de viaje

El calor se disipa de un sistema hidráulico de dos formas: mediante convección natural y convección forzada. Debido al gradiente de temperatura, la convección natural tiene lugar a medida que el calor se mueve de los diversos componentes del sistema al aire circundante. Es preferible que la convección natural disipe todo el calor generado por el sistema de ascensor. En este caso, el calor generado y disipado naturalmente se equilibra a una temperatura que debería estar por debajo de 60 ° C para una vida más larga del aceite (Figura 6). El uso de una válvula electrónica y el motor externo puede reducir la temperatura del equilibrio térmico en aproximadamente un 21%. Si, por otro lado, la convección natural no puede eliminar el calor generado, la temperatura del sistema seguirá aumentando. Por lo general, se requiere un enfriador de aceite cuando el calor generado por el sistema es mayor de lo que el sistema puede disipar (convección forzada).

Si el sistema de ascensor está diseñado de manera óptima, los enfriadores de aceite generalmente no son necesarios; sin embargo, la decisión sobre si una unidad de potencia de elevador hidráulico debe tener un enfriador de aceite solo puede decidirse después de calcular el balance térmico del sistema. Sin embargo, si se utiliza un enfriador de aceite, es necesario colocarlo en una sala de máquinas con ventilación adecuada.

Tipos de enfriadores de aceite

Enfriadores de aceite de aire

Los intercambiadores de calor refrigerados por aire se utilizan generalmente en aplicaciones de elevadores hidráulicos. Un termostato enciende y apaga el circuito de refrigeración. La temperatura de funcionamiento del contacto del termostato se puede ajustar desde el exterior mediante un volante. El elemento sensor está sumergido en el aceite. Se utiliza una bomba para enviar aceite caliente desde el tanque a un intercambiador de calor. El aceite se enfría allí mediante un ventilador accionado por motor, utilizando un proceso similar al sistema de enfriamiento por agua en un automóvil. Luego, el aceite enfriado se bombea de regreso al tanque para que lo use el sistema de elevador hidráulico. El intercambiador se instala en el depósito de aceite o cerca, o se instala en la pared de la sala de máquinas. Las calorías (o la cantidad de transferencia de calor) dependen del tamaño de la hielera. Los cálculos de balance térmico ayudan a derivar la cantidad de calor generado por el sistema frente a la cantidad disipada naturalmente. Si la cantidad de calor disipada naturalmente por el sistema es menor que la que genera el sistema, se debe seleccionar un enfriador con una tasa de transferencia de calor adecuada para neutralizar el calor excesivo.

Enfriadores de aceite refrigerados

Los enfriadores de aceite refrigerados son raros, pero también se pueden encontrar en instalaciones donde la temperatura ambiente es muy alta y el ascensor se utiliza con mucha frecuencia (como centros comerciales, hospitales o centros de exposiciones). Un enfriador de aceite refrigerado funciona en gran medida según el principio de un refrigerador. El aceite caliente del tanque (que se hace circular por medio de una bomba) intercambia su calor, y el refrigerante se hace circular en el frigorífico mediante un compresor. Por lo tanto, el aceite se enfría rápidamente y se devuelve al tanque hidráulico.

Instalación de la unidad de potencia

El proyecto de instalación de un ascensor hidráulico suele involucrar a más de una empresa en el proceso completo. La empresa que instala el ascensor en el sitio a menudo obtiene los componentes y la unidad de potencia de diferentes proveedores. La unidad de potencia, junto con el cilindro y, a veces, otros accesorios, es entregada por un proveedor que se especializa en el diseño, fabricación y montaje de componentes del sistema hidráulico. Es muy importante que los diferentes proveedores cumplan colectivamente con los requisitos del usuario final y comprendan los hechos básicos de los principios de manipulación e instalación de materiales para ofrecer una solución sin problemas.

Un entorno polvoriento, la contaminación y el mantenimiento deficiente a menudo crean problemas incluso antes de que el ascensor se instale y comience a funcionar. A veces, la unidad y el equipo hidráulico se entregan, mientras que otros trabajos de construcción están en curso. A veces, el equipo permanece en el sitio durante días antes de que finalmente comience la instalación del ascensor. En tal caso, debe ocultarse y protegerse adecuadamente del medio ambiente.

La tubería hidráulica realizada en el sitio debe revisarse para detectar restos de rebabas de soldadura y astillas de metal que permanezcan en la tubería si no se enjuagan adecuadamente. Estas finas partículas de metal tienen el potencial de dañar los sellos de aceite, las juntas tóricas y los filtros de bloqueo en el circuito, lo que podría resultar en costosas reparaciones y reemplazos incluso antes de la primera ejecución del elevador.

Como un tanque hidráulico es un depósito de aceite para todo el sistema hidráulico, cualquier contaminación que contenga puede convertirse en la principal fuente de problemas para todo el sistema. Se debe realizar una inspección del tanque para verificar su limpieza antes de poner en funcionamiento la unidad de potencia. El aceite solo debe llenarse en el tanque utilizando filtros adecuados. Verter el aceite en un tanque sucio sin filtrar o verificar el estado del tanque puede resultar en fallas clásicas del sistema que se pueden ver en las primeras carreras del elevador. La suciedad se puede acumular en el ariete durante el transporte, y el almacenamiento debe limpiarse cuidadosamente antes de poner el cilindro en funcionamiento para proteger los sellos de aceite.

Los nervios de la unidad de potencia: tuberías hidráulicas

Los tubos, tuberías y mangueras hidráulicas interconectan la bomba a la válvula de control, la válvula de control al cilindro y otros accesorios utilizados en la unidad de potencia. Los sistemas hidráulicos pueden utilizar tubería de acero o galvanizada, pero no se recomienda esta última, ya que el recubrimiento de zinc puede reaccionar con el aceite de manera desfavorable. Las líneas, incluidos los accesorios, deben ser capaces de resistir la presión máxima calculada del sistema y las sobretensiones creadas dentro del sistema. Es muy importante que la tubería utilizada posea el área de sección transversal requerida lo suficientemente grande para manejar el caudal requerido sin producir grandes caídas de presión. El volumen de aceite que puede pasar a través de la tubería / tubo / manguera en un período de tiempo determinado se puede calcular utilizando la ecuación antes de decidir el diámetro de la tubería:

Flujo = 6A * V (Ecuación 1)

donde “Flujo” es el flujo de aceite en Cu.dm/m, V es la velocidad del aceite en mps y A es el área interior de la tubería en centímetros cuadrados.

Una tubería se identifica por su espesor de pared y número de programa. Dado que las aplicaciones de elevadores hidráulicos generalmente no superan los 100 bares de presión de operación, caen en un sistema de presión baja a moderada y normalmente se utilizan tuberías de 80.

Las mangueras hidráulicas utilizadas en las tuberías se clasifican según la presión, la temperatura y la compatibilidad de los fluidos. Proporcionan flexibilidad y se utilizan para conectar la válvula de control al cilindro donde las tuberías o los tubos no se pueden utilizar de forma eficaz. El grado SAE100 R2 se utiliza generalmente en la industria de los elevadores hidráulicos. El diámetro interior de la manguera debe ser adecuado para mantener la pérdida de presión al mínimo y evitar daños a la manguera debido a la generación de calor o turbulencia excesiva.

El radio de curvatura de la manguera hidráulica debe seguirse estrictamente según las instrucciones del fabricante, ya que no hacerlo puede provocar explosiones que pueden causar lesiones o la muerte. La parte más débil de la manguera es generalmente el área de terminación o accesorios de acero, que están estampados al final. Los accesorios inadecuados e incompatibles pueden ser igualmente peligrosos durante el funcionamiento. Las mangueras nunca se deben torcer o tirar, sino que deben dimensionarse cuidadosamente y apoyarse adecuadamente, si es necesario.

El uso de acoplamientos y conectores es inevitable en las tuberías. Existen algunos conceptos erróneos comunes sobre estos, como, "Si un acoplamiento es compatible con una manguera que cumple con las especificaciones SAE o EN, el acoplamiento funcionará con todas las mangueras que cumplan con las especificaciones". Esto simplemente no es cierto. Al hacer o comprar un conjunto, se recomienda encarecidamente que la manguera y los accesorios provengan del mismo fabricante. Esto se debe a que las tolerancias dimensionales enumeradas en las normas son bastante amplias. Las mangueras que no se fabrican con dimensiones estrictamente controladas aún pueden cumplir con los estándares, pero ser difíciles de ensamblar y funcionar de manera insatisfactoria debido a las variaciones de compresión cuando los acoplamientos están engarzados.

Conclusión

El diseño del tanque hidráulico y la selección del aceite son parámetros importantes para construir una unidad de potencia sin problemas. Estos dos juntos contribuyen en gran medida a la disipación de calor y al proceso de enfriamiento natural. Con las consideraciones de diseño adecuadas y una sala de máquinas debidamente ventilada, generalmente no se requieren refrigeradores. Es necesario realizar un cálculo de equilibrio térmico del sistema de ascensores para garantizar un rendimiento óptimo, que se amortiza durante todo el ciclo de vida del sistema de ascensores.

Preguntas de refuerzo del aprendizaje

Utilice las siguientes preguntas de refuerzo del aprendizaje para estudiar para el Examen de evaluación de educación continua disponible en línea en www.elevatorbooks.com o en la página 181 de este número.
• ¿Cuáles son los criterios importantes para seleccionar un tanque hidráulico, aceite y un enfriador de aceite para un elevador hidráulico?
• Dar algunas características del aceite utilizado en ascensores hidráulicos.
• ¿Qué factores deben tenerse en cuenta al calcular el balance de calor del elevador hidráulico?
• ¿Qué cuidado se debe tener durante la instalación de un elevador hidráulico?
• Explique brevemente los principios de las tuberías hidráulicas.

Referencias
[1] P. Mehta, "Ascensores hidráulicos: rompiendo el mito", EW India, segundo trimestre de 2.
[2] P. Mehta, “Elevadores hidráulicos: configuración de la unidad de potencia”, EW, diciembre de 2010.
[3] F. Celik y M. Kucur, “Importancia del equilibrio térmico para ascensores hidráulicos”, Tecnología de ascensores 18: Actas de Elevcon 2010.