A maioria dos leitores desta coluna está bem ciente de que a viscosidade de um fluido hidráulico à base de hidrocarbonetos é inversamente proporcional à temperatura. À medida que a temperatura aumenta, a viscosidade do fluido diminui e vice-versa. Esta não é uma situação ideal por várias razões. De fato, o fluido hidráulico ideal teria um índice de viscosidade (a mudança na viscosidade de um fluido em relação à temperatura) representado por uma linha horizontal interceptando o eixo Y a 25 centiStokes.

Esta viscosidade da temperatura mostra que um fluido hidráulico ideal não exibiria nenhuma mudança na viscosidade independentemente da temperatura.

Felizmente, esse fluido não existe para a eficiência e longevidade da máquina hidráulica. E é improvável que tal fluido seja desenvolvido durante a minha vida útil. Mas se tal fluido fosse desenvolvido e patenteado, o seu criador teria a chave para uma mina de ouro. Por enquanto, temos óleo hidráulico multi-grau. Estes fluidos têm um alto índice de viscosidade, por isso a sua viscosidade é menos sensível às mudanças de temperatura do que um óleo monograduado.

Consequências não intencionais

Viscosidade fluída é um dos factores que determina se a lubrificação de película completa é alcançada e mantida. Se a carga e a velocidade superficial permanecem constantes, mas uma temperatura de operação elevada faz com que a viscosidade caia abaixo da necessária para manter uma película hidrodinâmica, ocorre a lubrificação de limite; isto cria a possibilidade de atrito e desgaste adesivo.

Por outro lado, há uma faixa de viscosidade onde o atrito do fluido, atrito mecânico e perdas volumétricas são ideais para o desempenho do sistema hidráulico. Esta é a faixa de viscosidade onde o sistema hidráulico irá operar mais eficientemente: a maior relação entre potência de saída e potência de entrada.

Para ilustrar o ponto acima, considere este exemplo: Na busca de um melhor consumo de combustível, o fabricante de uma máquina hidráulica móvel movida por motor substituiu a sua bomba de deslocamento fixo que alimenta a fixação da máquina por uma unidade de deslocamento variável. O acionamento no solo da máquina já utilizava uma bomba de pistão de deslocamento variável (transmissão hidrostática), de modo que a atualização do circuito hidráulico do acessório para uma configuração mais eficiente parecia uma progressão lógica pelos engenheiros de projeto da máquina.

Quando esta modificação foi testada, os engenheiros ficaram chocados ao descobrir que o consumo de combustível tinha realmente aumentado de 12 a 15%! Após análise, o aumento no consumo de combustível foi atribuído a um aumento na viscosidade do óleo provocado por uma queda de 30°C na temperatura operacional do óleo. Em outras palavras, o óleo “mais espesso” tinha resultado em um arrasto extra na transmissão hidrostática alimentando a transmissão no solo, fazendo com que a máquina usasse mais combustível.

A máquina usou um trocador de calor combinado de duas seções para óleo hidráulico e líquido de arrefecimento do motor. O arrefecimento do motor foi melhorado por um ventilador hidráulico controlado termostaticamente com base na temperatura do líquido de arrefecimento do motor. A seção do resfriador de óleo foi dimensionada para a bomba hidráulica de deslocamento fixo original.

A desvantagem com este arranjo é que, devido ao resfriamento do motor ser controlado termostaticamente e o sistema hidráulico não, o fluxo de ar através do trocador de calor combinado depende inteiramente da temperatura do motor. Isto significa que a redução da carga térmica da substituição da bomba de deslocamento fixo por uma unidade de deslocamento variável resultou numa redução significativa da temperatura do óleo hidráulico – o que normalmente é uma coisa boa!

Os engenheiros bloquearam a maior parte da secção de óleo hidráulico do refrigerador e fizeram o teste novamente. Isto devolveu o consumo de combustível ao nível original, mas nenhuma melhoria significativa foi vista.

Concluiu-se que a modificação testada poderia resultar numa pequena economia de custos em relação a uma redução no tamanho do refrigerador de óleo. Mas com o consumo de combustível sendo mais importante que qualquer economia modesta na capacidade de refrigeração, a idéia de pagar mais por uma bomba que resultou na manutenção do óleo a uma temperatura de operação mais baixa – mas o aumento do consumo de combustível – foi irreconciliável para os engenheiros da máquina.

Lesson Learned

Esta história ilustra o impacto que a temperatura do óleo hidráulico (e, portanto, a viscosidade) pode ter no consumo de combustível. Para recapitular os pontos-chave:

• A carga de calor no sistema hidráulico foi reduzida (aumento da eficiência) através da substituição de uma bomba fixa por uma unidade de deslocamento variável;
• O resultado foi uma queda significativa na temperatura operacional do óleo hidráulico;
• O aumento resultante na viscosidade do óleo hidráulico aumentou o consumo de combustível em uma quantidade significativa.

Em outras palavras, se o seu óleo hidráulico for muito espesso, você pagará por ele na bomba de combustível ou no medidor de eletricidade. No entanto, o cuidado é que se o seu óleo for demasiado fino, você pagará por ele na oficina de reparação.

Assumindo que este ensaio foi conduzido à mesma temperatura ambiente para ambas as opções de bomba, uma queda de 30° C (54° F) na temperatura do óleo hidráulico é bastante notável. Isto pode, em parte, ser explicado pela combinação do permutador de calor instalado na máquina. À medida que a viscosidade do óleo hidráulico aumenta, o motor trabalha mais (queima mais combustível), por isso o ventilador de arrefecimento (controlado pela temperatura do motor) funciona com mais força. Isto significa que mais calor é dissipado do óleo hidráulico e, portanto, a viscosidade do óleo hidráulico aumenta ainda mais. É um círculo viscoso.

Outra retirada desta história – que é pertinente para os projetistas de máquinas e as pessoas que compram suas máquinas – é que a maioria dos projetistas não tratam o óleo como o componente chave do sistema hidráulico que ele é. A viscosidade do óleo hidráulico, o índice de viscosidade ou o número ótimo de viscosidade dos componentes hidráulicos do sistema aparentemente não foram considerados durante o teste. Isto sugere que a linha de base, o consumo normal de combustível da máquina foi apenas uma feliz coincidência.

Even depois de ter descoberto que o consumo de combustível aumenta com a viscosidade do óleo, e embora a possibilidade de reduzir a capacidade de refrigeração instalada tenha sido reconhecida e contemplada, aparentemente não foi considerada a possibilidade de alterar a viscosidade do óleo para corresponder à maior eficiência (portanto, menor temperatura de operação) do sistema. Se a bomba mais eficiente com a capacidade de refrigeração existente tivesse sido combinada com um fluido de viscosidade adequada, é provável que a economia de combustível da máquina tivesse sido superior ao sistema original.

Em outras palavras, os projetistas da máquina não consideraram adequadamente os quatro lados do que eu chamo de O Diamante de Eficiência Energética de uma máquina hidráulica.

O Diamante de Eficiência Energética

Eficiência Energética significa a relação entre a potência de saída e a potência de entrada. Noventa kW fora de 100 kW dentro é uma eficiência de 90%. Noventa kW a partir de 110 kW de entrada é uma eficiência de 82%. E 90 kW de 120 kW de 120 kW de entrada é uma eficiência de 75%. Note que nos três casos, a potência de saída permanece a mesma: 90 kW. É só que a potência de entrada – portanto, o consumo de combustível ou electricidade do motor principal necessário para a sua manutenção – aumenta!

Quadrantes do Diamante de Eficiência Energética de uma máquina hidráulica estão todos inter-relacionados. Mudar qualquer um afeta a simetria do diamante.

Os quatro lados do Diamante de Eficiência Energética de uma máquina hidráulica estão todos inter-relacionados; mudar qualquer um, e a simetria do diamante é afetada.

Eficiência Projetada reflete a eficiência “nativa” do hardware escolhido para o sistema. Este hardware inclui o número de dispositivos de gasto de energia presentes, tais como válvulas proporcionais, controles de fluxo e válvulas redutoras de pressão. Também inclui perdas “projetadas” pelas dimensões e configuração de todos os condutores necessários: tubos, mangueiras, conexões e coletores.

No lado oposto do diamante, a Capacidade de Resfriamento Instalada, como porcentagem da potência de entrada contínua, deve refletir a eficiência projetada ou nativa do sistema hidráulico. Em outras palavras, quanto menor a eficiência nativa, maior a capacidade de refrigeração instalada.

Adjacente à capacidade de refrigeração instalada está a Temperatura Ambiente do Ar em que a máquina hidráulica opera. Isto influencia diretamente a temperatura do óleo operacional do sistema hidráulico, que determina em grande parte a viscosidade do óleo, completando o Diamante de Eficiência Energética.

Um projetista de máquina não tem controle sobre a temperatura do ar ambiente – embora ela precise saber qual é esta faixa. Mas ela determina (ou pelo menos deveria) as outras três variáveis; eficiência de projeto, capacidade de refrigeração instalada e viscosidade do óleo. Como ilustra a representação pictórica do Power Efficiency Diamond (e o estudo de caso acima demonstra), nenhuma dessas variáveis pode ser considerada isoladamente.

Olhando para o Power Efficiency Diamond da perspectiva do proprietário da máquina, é útil perceber que mesmo depois que a máquina foi projetada, construída e cheia de óleo, a eficiência do projeto, a capacidade de refrigeração instalada e a temperatura ambiente do ar são alvos móveis – alvos móveis que afetam a viscosidade operacional do óleo e, portanto, o consumo de energia.

A possibilidade de variação na temperatura do ar ambiente, particularmente se a máquina for movida entre locais com condições climáticas diferentes, é bastante óbvia. E embora a eficiência do projeto não varie, a eficiência operacional real normalmente se deteriora com o tempo devido ao desgaste. Da mesma forma, embora a capacidade de refrigeração instalada não mude com o tempo como percentagem da potência de entrada, a eficácia da mesma pode ser reduzida pelo desgaste dos componentes do circuito de refrigeração e, no caso dos permutadores de calor de sopro de ar – variação da temperatura e da altitude do ar ambiente.

Por isso, colocar uma máquina hidráulica na sua eficiência energética “sweet spot” requer um design informado. Para mantê-la lá requer que a mudança nas variáveis dependentes seja mantida a um mínimo. Em ambos os casos, The Power Efficiency Diamond pode ser útil tanto para designers de máquinas quanto para proprietários de equipamentos hidráulicos na compreensão da tarefa em mãos.

Brendan Casey tem mais de 26 anos de experiência na manutenção, reparo e revisão de equipamentos hidráulicos móveis e industriais. Para mais informações sobre como reduzir o custo operacional e aumentar o tempo de atividade do seu equipamento hidráulico, visite seu site em www.HydraulicSupermarket.com.