Importancia del equilibrio térmico para ascensores hidráulicos

Se evalúa la temperatura de equilibrio térmico de los elevadores hidráulicos y se dan recomendaciones para lograr una temperatura de equilibrio más baja.

por K. Ferhat Celik y Murad Kucur

Este documento fue presentado en ElevcoN Lucerne 2010, el Congreso Internacional sobre Tecnologías de Transporte Vertical y publicado por primera vez en el libro Elevator Technology 18 de la IAEE, editado por A. Lustig. Es una reimpresión con permiso de la Asociación Internacional de Ingenieros de Ascensores Iaee (sitio web: www.elevcon.com). Este artículo es una reimpresión exacta y no ha sido editado por ELEVATOR WORLD.

Palabras clave: Transferencia de calor, equilibrio térmico, ascensores hidráulicos.

RESUMEN

La generación de calor de las unidades de potencia de los elevadores hidráulicos es un fenómeno muy importante y debe mantenerse bajo control para un buen rendimiento de conducción y una vida útil más prolongada. Las temperaturas del aceite muy bajas y muy altas reducen la calidad de conducción del ascensor. Las temperaturas del aceite muy bajas provocan un comportamiento lento de las válvulas de control y también pueden provocar un problema de cavitación, mientras que las altas temperaturas del aceite, además de disminuir el rendimiento del recorrido, deterioran las propiedades lubricantes y aumentan el nivel de contaminación. Si no se cuida, se desarrolla un proceso de generación de calor cíclico, que reduce la vida útil de los componentes, da como resultado un servicio frecuente y aumenta el costo anual del ascensor.

Un verdadero diseño de unidad de potencia debe considerar el equilibrio térmico del ascensor a una temperatura de aceite aceptable como una de las principales limitaciones del diseño. En la mayoría de los casos, los refrigeradores pueden evitarse con un diseño adecuado, lo que reduce el consumo de energía en consecuencia.

En este artículo, la temperatura del balance térmico de los elevadores hidráulicos se evalúa con respecto al tipo de elevadores, la relación de suspensión y diversas condiciones ambientales a través de un modelo teórico derivado. También se dan recomendaciones para lograr una temperatura de equilibrio más baja para los elevadores hidráulicos.

1. INTRODUCCIÓN

En un sistema de ascensor hidráulico, se debe agregar energía al aceite hidráulico para elevar la cabina a su destino. Se necesita un motor eléctrico para impulsar una bomba para convertir la energía mecánica en flujo. La resistencia al flujo en el sistema hidráulico crea una presión cuya energía acciona el cilindro del sistema de ascensor. Por lo tanto, el sistema de ascensor hidráulico completo es en realidad un sistema de transferencia de energía. A medida que la energía se transforma simultáneamente de una forma a otra, parte de la energía del sistema se convierte en calor, lo que aumenta la temperatura del aceite en el tanque. Luego, el aceite disipa naturalmente su energía térmica al medio ambiente hasta que el gradiente de temperatura entre el aceite y la temperatura ambiente se iguala.

La utilización de válvulas mecánicas (aproximadamente el 70%) domina las aplicaciones de los elevadores hidráulicos debido a sus ventajas inherentes en los elevadores de bajo uso, donde la variación de la temperatura del aceite es moderada. Por otro lado, la calidad de conducción de las válvulas mecánicas disminuye a medida que se expande el rango de temperatura del aceite de trabajo. Por lo tanto, bajo las condiciones de trabajo esperadas, la variación de temperatura del aceite hidráulico debe determinarse antes del diseño de la unidad de potencia. En la industria, se utilizan algunas fórmulas empíricas para determinar si se requiere un enfriador en la mayoría de las condiciones de trabajo. Sin embargo, tales cálculos no brindan una visión completa de las variaciones de temperatura del aceite con respecto al uso del ascensor y las condiciones ambientales tales como ventilación de aire, temperatura ambiente, tamaño de la unidad de potencia, etc. El presente trabajo considera todos los parámetros de diseño aplicables y proporciona un imagen completa para una condición adecuada de equilibrio térmico, que puede no necesitar un enfriador.

2. CAUSAS DE LAS VARIACIONES DE TEMPERATURA DEL ACEITE

La alta temperatura del aceite puede deberse a factores internos y externos. Las principales fuentes internas de calor son las pérdidas de carga (o caídas de presión). Se pueden producir pérdidas de presión excesivas por el flujo a través de válvulas o tuberías de tamaño inadecuado, o por dobleces o curvas pronunciadas en las mangueras o tuberías. Cada componente agregado al sistema hidráulico introduce una nueva caída de presión que se convierte en calor. La caída de presión de los componentes hidráulicos aumenta a medida que aumenta el caudal y la viscosidad del aceite. (Se puede demostrar que la temperatura del aceite mineral aumentará en 0.56 ° C por cada caída de presión de 10 bares que exista a través de un conducto de flujo). El calor también se genera por pérdidas por fricción en las tuberías, la bomba, el motor, los sellos de los cilindros y en otros componentes. El aire atrapado en el aceite también influye en gran medida en la alta temperatura del aceite. Además, la baja viscosidad del aceite puede contribuir a la generación excesiva de calor porque, de manera inherente, no mantiene una película de lubricación crucial entre las superficies en movimiento, lo que produce desgaste y, finalmente, un aumento de las fugas. En la Figura 1 se muestra el ciclo de generación de calor.

En el viaje ascendente, todo tipo de caídas de presión se convierten en calor. Si el motor está sumergido, el aceite se calienta adicionalmente debido a la tasa de eficiencia del motor. Además, los tiempos de derivación, aceleración, desaceleración y nivelación más largos aumentan en gran medida la generación de calor. Esto se debe a que parte del aceite presurizado en estos períodos se deriva al tanque, es decir, la energía de la presión se convierte en calor, en lugar de elevar la energía potencial del automóvil. En el recorrido descendente, (generalmente el motor está desenergizado) la energía potencial del automóvil se convierte principalmente en calor.

Válvulas de alivio de presión ajustadas inadecuadamente, grado de viscosidad del aceite inadecuado, temperatura ambiente alta, ubicación incorrecta del tanque, ventilación deficiente o sin ventana externa en la sala de máquinas, tamaño y diseño del tanque insuficientes, unidades de energía que están expuestas a la luz solar, etc. son algunos de los factores externos que reducen la capacidad del sistema hidráulico para disipar el calor.

3. EFECTOS DE LAS VARIACIONES DE LA TEMPERATURA DEL ACEITE

Las principales preocupaciones por la variación de la temperatura del aceite son; cambio en la viscosidad del aceite y posible descomposición del aceite hidráulico a temperaturas elevadas.

Las válvulas mecánicas se ajustan a un valor medio del rango de temperatura de trabajo (aceite). Cuando el uso del ascensor es bajo (por debajo de 20 ciclos / h), la variación de la temperatura de trabajo será limitada y el ascensor funcionará satisfactoriamente. A medida que el rango de temperatura de trabajo se amplía con el uso del elevador, las válvulas mecánicas reaccionan de manera diferente a viscosidades de aceite muy bajas o altas. Cuando la viscosidad del aceite es muy alta, es decir, el aceite está frío, el funcionamiento del sistema se vuelve lento e insatisfactorio. Por ejemplo, el arranque del ascensor puede ser entrecortado, los tiempos de aceleración y desaceleración se hacen más largos. Por tanto, calentar el aceite tendrá un efecto beneficioso cuando el aceite esté frío.

La baja viscosidad del aceite, por otro lado, hace que el aceite sea más diluido y el funcionamiento del elevador se vuelve errático y deficiente. En este caso, los tiempos de aceleración y desaceleración se acortan, la velocidad del elevador disminuye (debido a la menor eficiencia volumétrica de la bomba) lo que resulta en una nivelación prolongada y un mayor tiempo de recorrido con válvulas mecánicas (Figura 2). A medida que se extiende el tiempo de viaje, se inicia una reacción cíclica en cadena entre la generación de calor de la unidad de potencia y el tiempo de viaje prolongado. El funcionamiento continuo del sistema a menudo requiere un cambio de aceite, reemplazo de sellos y reparación de componentes.

Con válvulas electrónicas, el cambio de viscosidad del aceite normalmente no afecta los tiempos de disparo (desaceleración, aceleración, etc.) y la velocidad del ascensor. Por lo tanto, se pueden utilizar para rangos de temperatura de trabajo mucho más altos que las válvulas mecánicas.

El aceite mineral se oxida incluso a temperatura ambiente, pero su tasa de oxidación aumenta drásticamente a temperaturas elevadas. La tasa de oxidación del aceite mineral normalmente es insignificante por debajo de los 80 ° C y se duplica por cada 10 ° C que se eleva por encima de los 80 ° C. En una aplicación de ascensor hidráulico, la temperatura del aceite normalmente permanece por debajo de 55 ° C, sin embargo, la temperatura en la bomba y en los cojinetes del motor será más alta que la temperatura del aceite medida en el tanque. Por lo tanto, el límite superior de temperatura del aceite debe mantenerse lo más bajo posible; de ​​lo contrario, la vida útil del aceite y los componentes del sistema pueden deteriorarse antes.

Una verdadera selección del grado de viscosidad del aceite considera la temperatura ambiente promedio y el uso del elevador. A partir de la temperatura ambiente, la mínima y del uso del ascensor, se pueden predecir las temperaturas máximas de trabajo del aceite. Números de grado de viscosidad que se utilizan con más frecuencia en aplicaciones de ascensores
se enumeran en la Tabla 1. Es importante tener en cuenta que el grado de viscosidad recomendado podría ser inadecuado ya que la temperatura ambiente varía.

Como pauta general, las válvulas mecánicas ofrecen un buen rendimiento de conducción a una temperatura del aceite de trabajo de entre 12 y 15 °C, mientras que las electrónicas lo hacen a unos 35 °C (ISO VG 46, VI 100). A medida que aumenta el VI (>130), estos rangos de temperatura alcanzan los 20 °C y los 40 °C, respectivamente. Si bien es muy recomendable mantener el rango de temperatura del aceite lo más reducido posible, los límites de temperatura especificados no son anormales y pueden tolerarse con válvulas hidráulicas debidamente ajustadas. En la Tabla 2 se muestran los rangos de viscosidad óptimos y permisibles, junto con sus correspondientes límites de temperatura, para diferentes VG con un VI de 100.

4. CÁLCULO DEL BALANCE DE CALOR

Uno de los principales objetivos del diseño de la unidad de potencia es equilibrar las pérdidas de calor a una temperatura de aceite aceptable mediante la transferencia natural del aceite a las tuberías, los actuadores y el depósito, y su posterior disipación al aire. El cálculo del balance de calor requiere una verdadera suma matemática del calor que entra y sale del sistema hidráulico. Para obtener una estimación realista, se deben considerar simultáneamente muchos factores internos y externos. Algunos de estos son;

Factor de carga promedio (k_carga) se elige como 0.50 (0.4 - 1) para calcular la carga media.

Carga promedio = Carga útil * k_carga       (1)

Factor de viaje promedio (k_viaje) se selecciona como 0.7 (0.5 - 1) para obtener la distancia media de viaje.

Distancia media de viaje (TD) = Distancia máxima de viaje * k_viaje    (2)

Arranques promedio del motor por hora (z) es el tiempo entre dos ciclos de desplazamiento consecutivos (arriba + abajo), incluidos los tiempos de apertura-cierre, carga-descarga y desplazamiento de la puerta. Puede ser dado por;

z = 60 / (2 * Tiempo de viaje [min] + 1) (3)

Tiempo total de viaje (t_total) se puede calcular usando los tiempos apropiados en la Tabla 3 y la ecuación (4).

4.1 Calor generado por el ascensor

En la Figura 3, se ilustra el ciclo de generación de calor de un ascensor hidráulico. En sentido ascendente, durante las etapas de by-pass, aceleración, desaceleración y nivelación, se envía al tanque el aceite completo o presurizado, que genera mucho calor. En el caso de las válvulas electrónicas, del 5 al 7 por ciento del flujo también se deriva al tanque durante el desplazamiento a alta velocidad. Esto es necesario para controlar la velocidad del ascensor. Sin embargo, los tiempos de by-pass, aceleración, desaceleración y nivelación constantes hacen que las válvulas electrónicas generen una cantidad reducida de calor en general. Las eficiencias del motor y la bomba también afectan la cantidad de calor generado durante el viaje ascendente. Esto se muestra con una banda delgada en la Figura 3. En el viaje descendente, la energía potencial del automóvil se convierte principalmente en calor. La cantidad de carga de calor transferida al aceite se puede calcular de la siguiente manera;

Eficiencias del motor eléctrico y la bomba (h_M, h_P): La eficiencia de los motores eléctricos aumenta con su potencia nominal. La eficiencia del motor sumergible varía entre el 75 y el 80%. Por otro lado, los motores no sumergibles pueden tener una eficiencia del 85 al 93%. La eficiencia de la bomba de tornillo se puede tomar entre el 75 y el 81%. El motor eléctrico y la bomba calientan el aceite de acuerdo con sus eficiencias como se indica a continuación;

W_{M, P} = Potencia del motor * (1 – h_M * h_P) (6)

Caída de presión (dP): Las pérdidas de presión de los componentes hidráulicos en el circuito hidráulico, como válvulas de control, válvulas de ruptura, silenciadores, tuberías, etc., se pueden obtener en las hojas de datos del fabricante. El calor generado debido a las caídas de presión se puede calcular de la siguiente manera;

W_{Caída de presión} = ∑ Caída de presión * Caudal    (7)

Generación de calor debido al aceite derivado: Esto se puede calcular de la siguiente manera;

W_by-pass = ∑⁶_i=1     W_i          (8)

donde, v₃: velocidad rápida, v₅: velocidad de nivelación, P_st: presión estática, P_dyn: presión dinámica (_a: aceleración, _d: desaceleración), caudal Q y W_i pérdida de potencia.

El cálculo de las presiones estáticas y dinámicas se puede realizar de la siguiente manera:

donde, m representan masas, F representan fuerzas, g: aceleración gravitacional, a: tasa de aceleración, m: factor de fricción, k_carga: factor de carga medio, dP: pérdidas de carga, n: número de cilindros, i: 2 para sistema indirecto y 1 para sistema directo, m_TCV: masa total del contrapeso. Cuando el ascensor es de tipo empuje, entonces m_TCV = 0.

Luego, la cantidad total de calor generado durante el viaje ascendente;

W_up =W_{Motor, bomba} + W_by-pass + W_{caída de presión}       (15)

Generación de calor durante el viaje de bajada: Una ecuación general en la dirección descendente se convierte en;

W_dw = METRO * gramo * h * k_viaje      (16)

4.2 Calor disipado por la unidad de potencia

El calor se disipa de un sistema hidráulico de dos formas: por convección natural y por convección forzada. La convección natural tiene lugar cuando el calor se mueve de los diversos componentes del sistema al aire circundante debido al gradiente de temperatura. Cuando se hace necesario un intercambiador de calor, se produce el segundo modo de disipación de calor, la convección forzada. La radiación, otro modo de disipación de calor, también está en acción, pero su efecto es esencialmente insignificante.

4.2.1 Disipación de calor del tanque y cilindros expuestos

El calor solo se transferirá siempre que haya una diferencia de temperatura entre la superficie y el aire ambiente. Los cálculos de la disipación de calor son mucho más complejos, por lo general se derivan de datos empíricos, o se debe confiar en tablas basadas en varios supuestos. La Figura 5 proporciona algunos coeficientes generales de transferencia de calor típicos para condiciones de 'aire en calma' desde superficies planas de acero desnudo hasta aire ambiente. Allí, el factor de multiplicación también se da cuando las superficies están en corriente de aire.

La cantidad de refrigeración proporcionada por el tanque y el cilindro depende principalmente de su área de superficie, emisividad, ubicación y temperatura circundante. El coeficiente efectivo de transferencia de calor se calcula utilizando los gráficos y la tabla de la Figura 5.

Se puede suponer que la mayor parte del calor se transfiere desde los cilindros y desde el tanque por convección. Por tanto, se pueden escribir las siguientes fórmulas para la disipación de calor;

W_{dis_tanque} =h*A_tanque *(t_aceite - T_{M. habitación}) (17a)

W_{des_cilindro} =h*A_cilindro *(t_aceite - T_Eje) (17b)

donde, W: potencia calorífica disipada, h: coeficiente de transferencia de calor total (0.0090 - 0.012 kW / m²° C), A: área de superficie, T: temperatura.

4.2.2 Disipación de calor al soplar aire sobre el tanque

En la mayoría de los casos, el hueco del ascensor está justo detrás de la sala de máquinas. Cada vez que la cabina del ascensor se mueve, realiza una acción de bombeo en el pozo, es decir, empuja el aire delante de ella y aspira el aire de abajo o viceversa. La acción de bombeo de la cabina del ascensor en el hueco puede ayudar a enfriar el aceite en el tanque y ventilar el aire en la habitación. Esto se muestra esquemáticamente en la Figura 6, donde el tanque se coloca frente a una abertura en la pared del pozo. La ventana superior en el eje permite que entre aire fresco y el aire debajo del automóvil se expulsa por la ventana de la sala de máquinas mientras el automóvil realiza un viaje descendente. Por el contrario, el aire fresco se aspira desde la ventana de la sala de máquinas hacia el hueco y el aire que se encuentra sobre el automóvil se expulsa por la ventana del hueco. A esto se le llama soplo de aire natural.

4.3. Cálculo basado en el tiempo para el balance de calor

Los cálculos de calor se realizan normalmente con respecto al número de viajes de ida y vuelta en una hora en una condición crítica, donde el aceite y la temperatura ambiente se seleccionan en sus valores límite, como 55 ° C y 30 ° C respectivamente. Si la potencia calorífica generada es superior a la disipada, se selecciona un intercambiador de calor con una capacidad de refrigeración de esa diferencia. Sin embargo, este cálculo no considera la variación de temperatura con el tiempo, que también es importante para decidir sobre el enfriador. Por lo tanto, se pueden obtener soluciones más completas a partir de la siguiente fórmula basada en el parámetro de tiempo. En un verdadero equilibrio, lo que entra debe contabilizarse como un aumento de temperatura o como una transferencia de calor fuera del sistema. Por lo tanto,

Energía_de = E_de = Energía_{se nutre} + Energía_disipado                  (18)

La relación general es;

E_de * dt = (∑ cm_Total) *dT_D + (∑ k * un)T_D * DT                   (19)

donde, t: tiempo, c: calor específico medio, M_Total: masa combinada, T_D: diferencia de temperatura, k: coeficiente de transferencia de calor total y A: área de superficie.

Si la ecuación diferencial está ordenada e integrada entre los límites de T_Di (T inicial_D) y T_D;

      

La temperatura de estado estable se alcanza cuando t se acerca al infinito, por lo tanto, máx. T_D es obtenido por;

5. RESULTADOS

Para mostrar simulaciones de temperaturas de equilibrio, se modeló un elevador indirecto como un tipo de empuje estándar y también como un tipo de tracción con contrapeso. Para ambos tipos, se ejecutaron simulaciones, utilizando válvulas de control mecánicas y electrónicas, bajo diferentes condiciones de diseño. En estas simulaciones, los volúmenes de aceite del tanque se consideraron iguales al caudal de la bomba (Q) o el doble de ese (2Q). Se han examinado los efectos de los ciclos de viaje, los motores sumergibles o externos y el soplo de aire natural (enfriamiento) en el tanque. Los datos utilizados para las simulaciones se muestran en las Tablas 4 y 5.

Se puede ver en las Tablas 4 y 5 que la potencia del motor y el caudal de la bomba del elevador tipo pull son 40.6% y 30.1% más bajos que el tipo push respectivamente (debido a la existencia de contrapeso), lo que resulta en una menor generación de calor por parte del elevador. unidad de poder.

Las simulaciones se realizaron a los ciclos de trabajo más altos (40 ciclos / h) y moderados (20 ciclos / h) utilizando motores sumergibles y externos. No se utilizaron refrigeradores externos y se supuso que la temperatura ambiente era constante a 27 ° C. Utilizando los datos anteriores y aplicando las formulaciones antes mencionadas, se obtuvieron varias curvas de balance de calor, como se muestra en la Figura 7. Las Figuras 7 (a) a (c) se obtuvieron con una capacidad de aceite del tanque de Q y (d) a (e) de 2Q.

Cabe mencionar que los tiempos de disparo promedio, indicados en la Tabla 5 para válvulas mecánicas, pueden ser superiores a 50 ° C, donde podrían ser aplicables tiempos de desvío y nivelación más largos debido a la reducción en la eficiencia volumétrica (aumento de fugas) del bomba y efecto de temperatura cíclica inevitable.

Para ascensores de uso intensivo (z = 40), duplicar el volumen de aceite del tanque redujo la temperatura de equilibrio entre un 8 y un 10 por ciento para las unidades sumergibles y entre un 6.7 y un 9 por ciento para las unidades externas. En cambio, para ascensores de uso medio (z = 20), estos porcentajes fueron de 5.8 a 7.6 y de 4.7 a 6.6 respectivamente. Suponiendo que el 60 % del volumen de aire se inyectaba en el tanque por el movimiento de la cabina del ascensor, se produjo una caída de la temperatura de equilibrio de entre un 2.3 y un 3.7 por ciento cuando el uso del ascensor era alto (z: 40); de lo contrario, el porcentaje fue inferior a 1.2.

Las unidades de potencia con motor externo podrían disminuir la temperatura de equilibrio entre un 13 y un 16 por ciento. Los elevadores de tracción proporcionaron una disminución del 17.3 al 21.5 por ciento en la temperatura de equilibrio.

Las válvulas electrónicas, que aseguraron una caída del 6 al 10 por ciento en la temperatura de equilibrio, son recomendables para elevadores de uso intensivo. En general, para el elevador de tipo pull, la válvula electrónica podría usarse sin un enfriador, mientras que el tipo push
El elevador con motor sumergible requería un enfriador o volúmenes de aceite más altos.

Las válvulas mecánicas son generalmente adecuadas para un uso reducido. Cuando se utiliza el elevador de tracción con motor externo y / o capacidad de aceite 2Q, la válvula mecánica también podría servir para ascensores con usos intermedios.

Dado que es muy raro que los ascensores se utilicen a su máxima capacidad de ciclo, es más lógico evaluar la temperatura de equilibrio de acuerdo con un escenario de utilización a lo largo del día. En las Figuras 8 (a) a (c), las temperaturas de equilibrio resultantes de tal escenario se dan con una temperatura ambiente variable.

Las Figuras 8 (a) a (c) ilustran que bajo la condición escénica, el elevador de empuje con válvula mecánica podría usarse con el motor externo, enfriador y capacidad de aceite 2Q (8-a). Cambiar la válvula mecánica por la electrónica puede eliminar el uso de enfriador con el motor externo (8-b). El elevador de tracción, por otro lado, podría utilizarse con una unidad sumergible con la ayuda de un enfriador o con capacidad de aceite 2Q (8-c). Sin embargo, el uso de un motor externo, preferiblemente con capacidad de aceite 2Q, proporciona la mejor solución.

6. CONCLUSIONES

Se cree que la mejor manera de evitar problemas relacionados con el calor o al menos minimizarlos es diseñar unidades de energía hidráulica de bajo consumo. Por lo tanto, se debe dar la importancia adecuada a la evaluación del balance de calor para evitar efectos térmicos indeseables en el sistema de ascensores. Obviamente, este enfoque tiene en cuenta el ciclo de vida, los parámetros tecnológicos y medioambientales.

Se pueden obtener paseos de alta calidad reduciendo el rango de temperatura del aceite de trabajo. La forma más económica de eliminar el calor es mediante la disipación natural sin enfriador. Cuando la necesidad de un enfriador no está claramente justificada, se debe considerar un ventilador de baja potencia sobre el tanque.

Las unidades de potencia con motor externo redujeron la temperatura de equilibrio entre un 13 y un 16 por ciento. Los elevadores de tracción con contrapeso reducen drásticamente la potencia del motor y el caudal de la bomba. Como resultado de eso, se pudo obtener una disminución del 21.5% en la temperatura de equilibrio.

La utilización de una unidad de potencia de tracción con válvula electrónica y motor externo, preferiblemente la capacidad de aceite 2Q podría usarse de manera segura en ciclos de trabajo más altos sin enfriadores.

Si la elección es un elevador de empuje, las válvulas mecánicas sirven muy bien para usos bajos; de lo contrario, se deberían preferir las válvulas electrónicas. Sin embargo, cuando se usa el tipo de tracción, las válvulas mecánicas también se pueden usar con unidades de motor externas en usos intermedios.

Referencias
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