La mayoría de los lectores de esta columna saben bien que la viscosidad de un fluido hidráulico a base de hidrocarburos es inversamente proporcional a la temperatura. A medida que la temperatura aumenta, la viscosidad del fluido disminuye y viceversa. Esta no es una situación ideal por varias razones. De hecho, el fluido hidráulico ideal tendría un índice de viscosidad (el cambio en la viscosidad de un fluido en relación con la temperatura) representado por una línea horizontal que intercepta el eje Y en 25 centiStokes.

Esta temperatura-viscosidad muestra que un fluido hidráulico ideal no mostraría ningún cambio en la viscosidad independientemente de la temperatura.

Desgraciadamente, no existe tal fluido para la eficiencia y longevidad de las máquinas hidráulicas. Y es poco probable que tal fluido se desarrolle en mi vida. Pero si dicho fluido se desarrollara y patentara, su creador tendría la llave de una mina de oro. Por ahora, tenemos el aceite hidráulico multigrado. Estos fluidos tienen un alto índice de viscosidad, por lo que su viscosidad es menos sensible a los cambios de temperatura que un aceite monogrado.

Consecuencias imprevistas

La viscosidad del fluido es uno de los factores que determina si se consigue y se mantiene la lubricación de película completa. Si la carga y la velocidad de la superficie permanecen constantes, pero una temperatura de funcionamiento elevada hace que la viscosidad caiga por debajo de la necesaria para mantener una película hidrodinámica, se produce una lubricación límite; esto crea la posibilidad de que se produzca fricción y desgaste adhesivo.

Por otro lado, existe un rango de viscosidad en el que la fricción del fluido, la fricción mecánica y las pérdidas volumétricas son óptimas para el rendimiento del sistema hidráulico. Este es el rango de viscosidad en el que el sistema hidráulico funcionará de forma más eficiente: la mayor relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada.

Para ilustrar el punto anterior, considere este ejemplo: En la búsqueda de un mejor consumo de combustible, el fabricante de una máquina hidráulica móvil con motor sustituyó su bomba de cilindrada fija que accionaba el accesorio de la máquina por una unidad de cilindrada variable. El accionamiento en tierra de la máquina ya utilizaba una bomba de pistón de caudal variable (transmisión hidrostática), por lo que la actualización del circuito hidráulico del implemento a una configuración más eficiente parecía una progresión lógica por parte de los ingenieros de diseño de la máquina.

Cuando se probó esta modificación, los ingenieros se sorprendieron al descubrir que el consumo de combustible había aumentado realmente entre un 12 y un 15%. Tras el análisis, el aumento del consumo de combustible se atribuyó a un aumento de la viscosidad del aceite provocado por un descenso de 30 °C en la temperatura del aceite de funcionamiento. En otras palabras, el aceite «más espeso» había provocado un arrastre adicional en la transmisión hidrostática que accionaba la transmisión por tierra, haciendo que la máquina consumiera más combustible.

La máquina utilizaba un intercambiador de calor combinado de dos secciones para el aceite hidráulico y el refrigerante del motor. La refrigeración del motor se mejoraba mediante un ventilador hidráulico controlado por termostato en función de la temperatura del refrigerante del motor. La sección del refrigerador de aceite estaba dimensionada para la bomba hidráulica original de cilindrada fija.

El inconveniente de esta disposición es que, debido a que la refrigeración del motor se controla termostáticamente y el sistema hidráulico no, el flujo de aire a través del intercambiador de calor combinado depende totalmente de la temperatura del motor. Esto significa que la reducción de la carga térmica por la sustitución de la bomba de cilindrada fija por una unidad de cilindrada variable dio lugar a una reducción significativa de la temperatura del aceite hidráulico, lo que normalmente es bueno. Esto devolvió el consumo de combustible al nivel original, pero no se observó ninguna mejora significativa.

Se llegó a la conclusión de que la modificación probada podría suponer un pequeño ahorro de costes con respecto a la reducción del tamaño del refrigerador de aceite. Pero como el consumo de combustible era más importante que cualquier modesto ahorro en la capacidad de refrigeración, la idea de pagar más por una bomba que permitía mantener el aceite a una temperatura de funcionamiento más baja -pero con un mayor consumo de combustible- era irreconciliable para los ingenieros de la máquina.

Lección aprendida

Esta historia ilustra el impacto que la temperatura del aceite hidráulico (y, por tanto, la viscosidad) puede tener en el consumo de combustible. Recapitulando los puntos clave:

• Se redujo la carga térmica del sistema hidráulico (se aumentó la eficiencia) sustituyendo una bomba fija por una unidad de desplazamiento variable;
• Esto dio lugar a un descenso significativo de la temperatura del aceite hidráulico de funcionamiento;
• El aumento resultante de la viscosidad del aceite hidráulico aumentó el consumo de combustible en una cantidad significativa.

En otras palabras, si su aceite hidráulico es demasiado espeso, lo pagará en la bomba de combustible o en el contador de electricidad. Sin embargo, la otra cara de la moneda es que si su aceite es demasiado fino, lo pagará en el taller de reparaciones.

Asumiendo que esta prueba se realizó a la misma temperatura ambiente para ambas opciones de bomba, una caída de 30° C (54° F) en la temperatura del aceite hidráulico es bastante notable. Esto puede explicarse, en parte, por el intercambiador de calor combinado instalado en la máquina. A medida que aumenta la viscosidad del aceite hidráulico, el motor trabaja más (quema más combustible), por lo que el ventilador de refrigeración (controlado por la temperatura del motor) funciona más. Esto significa que se disipa más calor del aceite hidráulico y, por tanto, la viscosidad del aceite hidráulico aumenta aún más. Es un círculo viscoso.

Otra conclusión de esta historia -que es pertinente para los diseñadores de máquinas y las personas que compran sus máquinas- es que la mayoría de los diseñadores no tratan el aceite como el componente clave del sistema hidráulico que es. La viscosidad del aceite hidráulico, el índice de viscosidad o el número de viscosidad óptimo para los componentes hidráulicos del sistema aparentemente no se tuvieron en cuenta durante la prueba. Esto sugiere que el consumo de combustible básico y normal de la máquina fue sólo una feliz coincidencia.

Incluso después de haber descubierto que el consumo de combustible aumenta con la viscosidad del aceite, y aunque se reconoció y contempló la posibilidad de reducir la capacidad de refrigeración instalada, aparentemente no se consideró la posibilidad de cambiar la viscosidad del aceite para adaptarse a la mayor eficiencia (por lo tanto, menor temperatura de funcionamiento) del sistema. Si la bomba más eficiente con la capacidad de refrigeración existente se hubiera combinado con un fluido de viscosidad adecuada, es probable que el ahorro de combustible de la máquina hubiera sido superior al sistema original.

En otras palabras, los diseñadores de la máquina no consideraron adecuadamente los cuatro lados de lo que yo llamo El Diamante de la Eficiencia de la Potencia de una máquina hidráulica.

El Diamante de la Eficiencia de la Potencia

La eficiencia de la potencia significa la relación entre la potencia de salida y la de entrada. Noventa kW de salida de 100 kW de entrada es una eficiencia del 90%. Noventa kW de salida de 110 kW de entrada es una eficiencia del 82%. Y 90 kW de salida a partir de 120 kW de entrada es una eficiencia del 75%. Obsérvese que en los tres casos la potencia de salida es la misma: 90 kW. Lo que ocurre es que la potencia de entrada -y, por tanto, el consumo de combustible o electricidad del motor primario necesario para obtenerla- sigue aumentando.

Los cuadrantes del diamante de la eficiencia de la potencia de una máquina hidráulica están interrelacionados. Cambiar cualquiera de ellos afecta a la simetría del diamante.

Las cuatro caras del Diamante de la Eficiencia Energética de una máquina hidráulica están todas interrelacionadas; si se cambia cualquiera de ellas, la simetría del diamante se ve afectada.

La Eficiencia Diseñada refleja la eficiencia «nativa» del hardware elegido para el sistema. Este hardware incluye el número de dispositivos de pérdida de energía presentes, como las válvulas proporcionales, los controles de flujo y las válvulas reductoras de presión. También incluye las pérdidas «diseñadas» por las dimensiones y la configuración de todos los conductores necesarios: tuberías, mangueras, accesorios y colectores.

En el lado opuesto del diamante, la capacidad de refrigeración instalada, como porcentaje de la potencia de entrada continua, debería reflejar la eficiencia diseñada o nativa del sistema hidráulico. En otras palabras, cuanto menor sea la eficiencia nativa, mayor será la capacidad de refrigeración instalada.

Al lado de la capacidad de refrigeración instalada se encuentra la temperatura del aire ambiente en la que opera la máquina hidráulica. Esto influye directamente en la temperatura del aceite de funcionamiento del sistema hidráulico, que determina en gran medida la Viscosidad del Aceite, completando el Diamante de la Eficiencia de la Potencia.

Un diseñador de máquinas no tiene control sobre la temperatura del aire ambiente-aunque sí necesita saber cuál es este rango. Pero sí puede (o al menos debería) determinar las otras tres variables: la eficiencia de diseño, la capacidad de refrigeración instalada y la viscosidad del aceite. Como ilustra la representación pictórica del Diamante de la Eficiencia Energética (y como demuestra el estudio de caso anterior), ninguna de estas variables puede considerarse de forma aislada.

Mirando el Diamante de la Eficiencia Energética desde la perspectiva del propietario de una máquina, es útil apreciar que incluso después de que la máquina haya sido diseñada, construida y llenada de aceite, la eficiencia de diseño, la capacidad de refrigeración instalada y la temperatura del aire ambiente son objetivos móviles-objetivos móviles que afectan a la viscosidad del aceite de funcionamiento y, por tanto, al consumo de energía.

La posibilidad de variación de la temperatura del aire ambiente, especialmente si la máquina se traslada entre lugares con diferentes condiciones climáticas, es bastante obvia. Y aunque la eficiencia de diseño no varía, la eficiencia real de funcionamiento suele deteriorarse con el tiempo debido al desgaste. Del mismo modo, aunque la capacidad de refrigeración instalada no cambia con el tiempo como porcentaje de la potencia de entrada, su eficacia puede reducirse por el desgaste de los componentes del circuito de refrigeración y, en el caso de los intercambiadores de calor por chorro de aire, por la variación de la temperatura del aire ambiente y la altitud.

Por lo tanto, conseguir que una máquina hidráulica alcance su «punto óptimo» de eficiencia energética requiere un diseño informado. Mantenerla allí requiere que el cambio en las variables dependientes se mantenga al mínimo. En ambos casos, el Diamante de la Eficiencia Energética puede ser útil tanto para los diseñadores de máquinas como para los propietarios de equipos hidráulicos a la hora de entender la tarea en cuestión.

Brendan Casey tiene más de 26 años de experiencia en el mantenimiento, reparación y revisión de equipos hidráulicos móviles e industriales. Para obtener más información sobre cómo reducir el coste de funcionamiento y aumentar el tiempo de actividad de su equipo hidráulico, visite su sitio web en www.HydraulicSupermarket.com.