Fabricación de ascensores hidráulicos resistentes al calor

Los peligros del calor en los sistemas hidráulicos y cómo protegerse contra ellos

Uno de los mayores desafíos técnicos que enfrenta un ingeniero hidráulico es diseñar un sistema de ascensor hidráulico resistente al calor. Tal desafío se vuelve aún más difícil cuando el sistema tiene que funcionar en un entorno con alta temperatura ambiente, un clima húmedo, poca ventilación y un uso muy elevado.

Un elevador hidráulico generalmente se compone de componentes de diferentes fabricantes. Cada fabricante de componentes, especialista en su propio dominio, optimiza el diseño y el rendimiento de su propio producto. Gran parte de la energía y el enfoque durante el diseño de los componentes está en las tolerancias, las técnicas de producción, la minimización de las pérdidas de presión, el cumplimiento de las normas de seguridad de los ascensores, el control de calidad y la funcionalidad general del producto.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Después de leer este artículo, debería haber aprendido sobre:
♦ Comprender los efectos del calor en un ascensor hidráulico y the source de generación de calor
♦ Soluciones efectivas para hacer que los ascensores hidráulicos sean resistentes al calor y otras mejores prácticas
♦ Leyes de termodinámica, incluido el cálculo y análisis de la carga térmica
♦ Selección de refrigeradores (si es necesario)
♦ Optimización del diseño

Después de leer este artículo, debería haber aprendido sobre:

Es tarea del diseñador del sistema optimizar el funcionamiento del conjunto completo, teniendo en cuenta su aplicación y condiciones de funcionamiento. Esto implica seleccionar los componentes correctos de acuerdo con el código de seguridad de ascensores, dimensionar los componentes, ejecutar cálculos de calor y analizar el tráfico de ascensores para que el sistema completo de ascensores pueda ofrecer el rendimiento necesario. Este artículo describe cómo realizar este proceso correctamente, centrándose en minimizar la generación de calor.

Efectos del calor en un elevador hidráulico

El calor altera la viscosidad del fluido hidráulico, lo que desencadena los problemas. El aceite caliente (delgado) da como resultado:

• Aumento de las fugas dentro del sistema (bombas, válvulas, etc.), lo que reduce la eficiencia volumétrica del sistema.
• Características de recorrido de arranque y parada duros y erráticos, desplazamiento excesivo del nivel del piso y mayor desgaste de los sellos de aceite y los componentes
• La oxidación del aceite acelera su degradación al cambiar sus propiedades y reducir su vida útil.

Una simple lista de verificación resume todo lo que puede ayudar a ofrecer un sistema de ascensor resistente al calor:

• Fuente de generación de calor
• Formas de minimizar la generación de calor
• Calcular y analizar la carga térmica.
• Optimización del sistema de ascensor hidráulico para disipar naturalmente el calor generado
• Dimensionamiento de enfriadores si es necesaria la convección forzada

Fuente de generación de calor

La unidad de potencia hidráulica se compone de un tanque, aceite, motor, bomba, válvula de control y accesorios relacionados conectados al cilindro hidráulico con una manguera o una tubería de metal. Esta unidad motriz suele estar ubicada en la sala de máquinas o, en algunas unidades sin sala de máquinas (MRL), en el propio hueco del ascensor.

Las siguientes prácticas pueden contribuir a la generación de calor de la unidad de potencia:

• Unidad de potencia demasiado pequeña para el ascensor que está conduciendo
• Colocación en un lugar mal ventilado o sin ventilación, como demasiado cerca de una pared
• Sala de máquinas muy pequeña
• Tanque hecho de material (no metálico) que no puede disipar el calor de manera efectiva
• Tuberías inadecuadas, lo que provoca flujo turbulento, pérdidas de presión y generación de calor.

Como regla general, el tamaño (volumen) de un tanque de aceite debe ser de al menos 2.2 veces el caudal de la bomba, con al menos 10 cm de espacio restante desde la tapa del tanque hasta la superficie del aceite cuando el elevador está en amortiguación. La unidad debe ubicarse en una habitación con ventilación cruzada, lo que puede ayudar a que el aire caliente se disipe rápidamente. Si la instalación es del tipo MRL, coloque la unidad de potencia en un armario de pared con una abertura en el eje. Esto ayuda a enfriar el tanque automáticamente a medida que el movimiento del automóvil en el eje empuja aire en el tanque con su movimiento (Figura 2). Se prefieren los tanques metálicos, ya que pueden disipar el calor mucho más fácilmente que los tanques de fibra y plástico. Se debe seleccionar un tamaño de tubería adecuado y se debe evitar el uso de reductores, codos y adaptadores innecesarios.

Aceite

El uso del tipo de aceite correcto puede contribuir significativamente a mantener la temperatura del aceite bajo control. El fluido hidráulico más adecuado para la aplicación de ascensores es aquel que tiene un cambio de viscosidad relativamente bajo cuando cambia su temperatura. La temperatura y la viscosidad del aceite hidráulico están inversamente relacionadas: la viscosidad del aceite disminuye con el aumento de temperatura.

El índice de viscosidad (VI) es una representación de un solo número de las características de temperatura de viscosidad de un fluido. Cuanto mayor sea el valor del VI, menor será la variación de viscosidad para un cambio dado de temperatura o viceversa.

Los elevadores hidráulicos que se utilizan constantemente en temperaturas ambiente cálidas (por encima de 30 ° C) y que circulan en tráfico intenso deben utilizar un tipo de aceite ISO VG 68. Sobredimensionar el tanque para que contenga un volumen de aceite tres veces mayor que el flujo de la bomba se debe usar cuando la temperatura del aceite durante el ciclo de trabajo del elevador aumenta en 25-30 ° C.

Válvula de control

Una válvula de control de flujo regula el flujo de aceite al permitir que el exceso de aceite regrese al tanque durante las etapas de derivación, aceleración, desaceleración y nivelación, lo que brinda a los pasajeros una experiencia de viaje más suave. Se encuentran disponibles muchos tipos diferentes de válvulas de control de flujo diseñadas específicamente para elevadores hidráulicos. Estos van desde las válvulas mecánicas más simples y más utilizadas, válvulas servo electrónicas con solenoides proporcionales, hasta válvulas accionadas por voltaje variable y frecuencia variable (VVVF).

Una válvula de control mal ajustada puede contribuir al calentamiento del aceite. La válvula de alivio de presión configurada incorrectamente, los tiempos de derivación y nivelación más largos pueden afectar la temperatura del aceite en cada ejecución. Un tamaño insuficiente de la válvula, especialmente a alta presión de funcionamiento, también puede contribuir a un aumento innecesario de la temperatura. El uso del tipo de válvula incorrecto en un elevador hidráulico muy utilizado, como instalaciones en lugares públicos u hospitales, por ejemplo, puede contribuir al calentamiento del sistema.

Los ajustes correctos de la válvula son fundamentales para un funcionamiento sin problemas y para minimizar el desgaste de los componentes y los sellos de aceite. Una válvula mal ajustada durante la fase de instalación no solo da como resultado características de desplazamiento erráticas, sino que también sigue calentando el aceite durante el resto del tiempo. Por ejemplo, la Figura 4 muestra una válvula mal ajustada con un tiempo de nivelación innecesario más largo; mientras que la Figura 5 muestra el recorrido con el tiempo óptimo de nivelación. La Tabla 1 muestra los tiempos óptimos de derivación, aceleración, desaceleración y nivelación de los ajustes de la válvula.

Subdimensionamiento

El uso de la válvula de control en o más de la capacidad de flujo total provoca altas pérdidas de presión y turbulencias, que calientan el aceite rápidamente. La alta presión de funcionamiento (más de 65 bar) se suma al problema de calentamiento. El rango de flujo operativo recomendado por los fabricantes para el tamaño dado no debe ignorarse en aras de minimizar las pérdidas de presión al flujo máximo. Siempre se recomienda usar el siguiente tamaño de válvula más grande para que el flujo de la bomba se acerque al rango de flujo máximo para evitar turbulencias. Al seleccionar conectores, tuberías, reductores y codos, el paso de flujo más estrecho debe ser apropiado para manejar el flujo máximo sin causar turbulencias o grandes pérdidas de presión.

Tipo de válvula

Las válvulas VVVF con inversores son la mejor opción cuando se desea compensación de temperatura y presión con condiciones de operación que cambian dinámicamente más allá del alcance de las válvulas de control mecánico simples. Un sistema basado en inversor no solo minimiza la generación de calor, sino también el consumo de energía hasta en un 60%.

Calcular y analizar la carga de calor

La primera ley de la termodinámica dice que la energía no se puede crear ni destruir, simplemente transformar de un tipo a otro. Por lo tanto, 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, cuya energía activa 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 un tipo a otro, parte de la energía del sistema se convierte en calor y ya no está disponible para un trabajo útil. La energía perdida que se convierte en calor aumenta la temperatura del aceite en el tanque. El calor en el aceite se disipa naturalmente al medio ambiente hasta que el gradiente de temperatura entre el aceite y la temperatura ambiente se iguala.

El calor se disipa de un sistema hidráulico principalmente de dos formas: convección natural y convección forzada. La convección natural tiene lugar a medida que el calor se mueve de los diversos componentes del sistema al aire circundante debido al gradiente de temperatura. Es bueno cuando la convección natural disipa todo el calor generado por el sistema de ascensor. De lo contrario, la temperatura del sistema seguirá aumentando, por lo que se necesitará un intercambiador de calor, que es el segundo modo de disipación de calor (convección forzada). Un tercer modo de disipación de calor, la radiación, también está en acción, pero su efecto es esencialmente insignificante.

En principio, el calor generado por el sistema debe disiparse eficazmente para mantener la temperatura del aceite. Cuando el calor generado excede el calor que se puede disipar, la temperatura del aceite aumentará y será necesario un enfriador de aceite como método adicional para mantener la temperatura del aceite. Se puede instalar un enfriador de aceite para mantener la temperatura del aceite dentro de un rango especificado; sin embargo, viene con un aumento en el costo y el consumo de energía. Como regla general, se puede considerar un aumento de temperatura de 0.5 ° C por cada caída de presión de 10 bares en un conducto de flujo.

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 un depósito, y su posterior disipación en el aire. El cálculo más difícil es el balance de calor, que requiere una verdadera suma matemática del calor que entra y sale del sistema hidráulico. En la práctica, en la industria se utilizan algunas formulaciones empíricas para decidir la necesidad y el tamaño del enfriador de aceite. Las características de rendimiento de una unidad de potencia hidráulica dependen en gran medida del rango de temperatura de trabajo, el tipo de aceite hidráulico y el nivel de limpieza del aceite, las burbujas de aire y el agua.

Para obtener una estimación detallada y realista, se deben considerar simultáneamente muchos factores internos y externos. En última instancia, es el equilibrio de la energía térmica que entra y sale del sistema hidráulico lo que debe tenerse en cuenta en el cálculo. Una verdadera formulación debe considerar:

• Temperatura ambiente
• Viajes promedio por hora
• Carga media por viaje
• Altura media de viaje
• Velocidad del ascensor
• Tiempos totales de recorrido, derivación y nivelación
• Tamaños de motores y bombas y sus eficiencias
• Caída de presión en válvulas y tuberías
• Ventilación de aire en la sala de máquinas y el pozo
• Ubicación del tanque en la sala de máquinas
• Diseño y tamaño del tanque interno

Todos estos factores deben evaluarse en el diseño de cada ascensor antes de establecer la ecuación de balance de calor.

El cálculo del balance de calor se realiza en un límite crítico donde la temperatura del aceite y la temperatura ambiente se seleccionan en sus valores límite, como 55 ° C (130 ° F) y 30 ° C (86 ° F). En esa situación crítica, la cantidad de energía térmica generada y disipada se calcula con respecto al número de viajes de ida y vuelta en 1 hora. Sin embargo, este cálculo no considera el tiempo hasta que se alcanza el límite crítico. Además, el cálculo no es acumulativo. Cuando la duración para alcanzar el nivel crítico puede ser lo suficientemente larga, es posible que el enfriador no sea necesario en absoluto. Por lo tanto, un mejor método de evaluación que considere el parámetro de tiempo puede dar resultados más realistas. Una ecuación muy general para calcular el calor generado es la siguiente:

donde λ es el factor promedio para el valor del producto del peso, carrera y arranques del motor 0.5 se considera un valor promedio (0.8 en casos extremos). El peso total es la suma de todos los pesos (carga útil, peso del automóvil, etc.) en kilogramos. La carrera es la carrera del pistón en metros. El motor arranca por hora es la cantidad de veces que un ascensor recibe llamadas en 1 hora.

donde λ es el factor promedio para el valor del producto del peso, la carrera y los arranques del motor. 0.5 se considera un valor medio (0.8 en casos extremos). El peso total es la suma de todos los pesos (carga útil, peso del automóvil, etc.) en libras. La carrera es la carrera del pistón en pies. El motor arranca por hora es la cantidad de veces que un ascensor recibe llamadas en 1 hora.

Una ecuación general para calcular el calor disipado es la siguiente:

donde Tank_cafe, Tubería_cafe, cilindro_cafe y pistón_cafe son la superficie en metros cuadrados. Diferencia_temp es la diferencia de temperatura a la que se somete el aceite en grados Celsius.  (1.0 a 1.3) es el factor usado para el tamaño del tanque. Se debe usar un valor más bajo para un tanque pequeño y de color claro; se debe usar un valor más alto para un tanque grande y de color oscuro.

donde Tank_cafe, Tubería_cafe, cilindro_cafe y pistón_cafe son el área de la superficie en pulgadas cuadradas. Diferencia_temp es la diferencia de temperatura a la que se somete el aceite en grados Fahrenheit.  (1.0 a 1.3) es el factor usado para el tamaño del tanque. Se debe usar un valor más bajo para un tanque pequeño y de color claro; se debe usar un valor más alto para un tanque grande y de color oscuro.

Si el calor generado es menor que el calor disipado, no se requiere enfriamiento forzado.

Las formulaciones y ecuaciones mencionadas son genéricas y solo deben considerarse como referencia. Los detalles específicos de la instalación del ascensor, la aplicación y el diseño de la unidad de potencia deben tenerse en cuenta para obtener resultados más precisos antes de llegar a cualquier conclusión. Para obtener más detalles, consulte "Importancia del equilibrio térmico para elevadores hidráulicos".^{[ 1 ]}

Optimiza

Además de las opciones mencionadas anteriormente para reducir la generación de calor, el diseño de los sistemas de ascensores hidráulicos se puede optimizar aún más para disipar el calor de manera más efectiva en un corto período de tiempo mediante:

• Usar tanques de metal con un área de superficie vertical más grande, exponiendo efectivamente un área más grande para una disipación de calor óptima
• Elevar el tanque para tener una buena circulación de aire debajo de él.
• Colocar la unidad de potencia en un área ventilada adecuada o en un armario de pozo para un enfriamiento natural con cada recorrido del elevador
• Evitar las tuberías ocultas, si es posible, para disipar el calor de manera efectiva.
• Usar un tanque de gran tamaño, que puede contener más volumen de aceite para una ventaja de tiempo para calentar
• No exponer la unidad de potencia a la luz solar directa ni a ninguna otra fuente generadora de calor.
• Usando un sistema de válvula de control VVVF donde el uso del elevador es alto para generar mucho menos calor
• Selección de componentes del sistema con bajas pérdidas de presión
• Usar el tipo de aceite correcto apropiado para la aplicación del elevador
• Dimensionamiento de enfriadores si es necesaria la convección forzada

En un verdadero equilibrio, lo que entra debe tenerse en cuenta, ya sea como un aumento de temperatura o como una transferencia de calor fuera del sistema. Así, si el calor generado es mayor que el disipado, se selecciona un intercambiador de calor con una capacidad de enfriamiento de esa diferencia. Al diseñar un nuevo sistema de ascensor hidráulico, una buena regla general es que un enfriador debe tener un tamaño que elimine aproximadamente el 25-30% de la potencia de entrada. Los fabricantes de refrigeradores tienen tablas de selección que facilitan relativamente la selección de refrigeradores. El tamaño del enfriador se basa en la cantidad de calor (en kilovatios) que debe neutralizarse con respecto a una diferencia de temperatura (△ T) de acuerdo con la temperatura ambiente. La Figura 7 muestra una tabla de selección típica de tamaños de enfriadores de aceite de un fabricante de enfriadores.

Un enfriador de aceite (intercambiador de calor) generalmente funciona con la ayuda de un termostato que enciende y apaga el circuito de enfriamiento. 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. El termostato del enfriador de aceite debe ajustarse para que entre en funcionamiento después de un aumento de 10-12 ° C de la temperatura ambiente. 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, un proceso similar al sistema de refrigeración por agua de un automóvil. Luego, el aceite enfriado se bombea de nuevo al tanque para que lo use el sistema de ascensor. El intercambiador se instala en la pared de la sala de máquinas de manera que expulse aire caliente. Las calorías (cantidad de transferencia de calor) dependen del tamaño de la hielera.

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

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 p. 173 de este número. ¿Qué aspectos críticos del diseño pueden influir en la generación y disipación de calor en un ascensor hidráulico?
♦ ¿Cómo se analiza la carga térmica?
♦ ¿Cómo pueden afectar la selección y el ajuste de los componentes la generación de calor?
♦ ¿Cómo se calculan la disipación de calor y la generación de calor?
♦ ¿Cómo se debe calcular el tamaño del enfriador (si es necesario) una vez que se ha determinado la carga de calor?

Referencias
[1] K. Ferhat Celik y Murad Kucur. “Importancia del equilibrio térmico para ascensores hidráulicos”, Tecnología de ascensores 18: Actas de Elevcon 2010.