Os quatro pilares da eficiência da máquina hidráulica

Se você não considera o fluido hidráulico um componente crítico de qualquer sistema hidráulico, você pode sofrer o mesmo destino desses engenheiros.

A maioria dos leitores desta coluna estão bem conscientes 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) representada por uma linha horizontal que intercepta o eixo Y em 25 centiStokes.

Esta viscosidade de temperatura mostra que um fluido hidráulico ideal não exibiria qualquer alteração na viscosidade, independentemente da temperatura.

Infelizmente, esse fluido não existe para a eficiência e longevidade da máquina hidráulica. E é improvável que tal fluido seja desenvolvido na minha vida. Mas se tal fluido fosse desenvolvido e patenteado, seu criador teria a chave para uma mina de ouro. Por enquanto, temos óleo hidráulico multi-grade. Esses fluidos têm um alto índice de viscosidade, portanto, sua viscosidade é menos sensível a mudanças de temperatura do que um óleo monograduado.                                                                             

Consequências não-intencionais

A viscosidade do fluido é um dos fatores que determina se a lubrificação de filme completo é alcançada e mantida. Se a carga e a velocidade da superfície permanecerem constantes, mas a temperatura operacional elevada fizer com que a viscosidade caia abaixo da requerida para manter um filme hidrodinâmico, ocorre a lubrificação do limite; isso cria criando a possibilidade de desgaste por atrito e adesivo.

Por outro lado, há uma faixa de viscosidade em que o atrito do fluido, o atrito mecânico e as perdas volumétricas são ideais para o desempenho do sistema hidráulico. Essa é a faixa de viscosidade em que o sistema hidráulico operará com mais eficiência: a maior taxa de potência de saída para a potência de entrada.

Para ilustrar o ponto acima, considere este exemplo: Na busca por um melhor consumo de combustível, o fabricante de uma máquina hidráulica móvel movida a motor substituiu sua bomba de deslocamento fixo alimentando o acessório da máquina com uma unidade de deslocamento variável. O acionamento do solo na máquina já usava uma bomba de pistão de deslocamento variável (transmissão hidrostática), então a atualização do circuito hidráulico do implemento 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 havia aumentado de 12 a 15%! Após a análise, o aumento no consumo de combustível foi atribuído a um aumento na viscosidade do óleo causado por uma queda de 30 ° C na temperatura operacional do óleo. Em outras palavras, o óleo “mais espesso” resultou em um arrasto extra na transmissão hidrostática, impulsionando a tração no solo, fazendo com que a máquina usasse mais combustível.

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

A desvantagem desse 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. Isso significa que a redução na carga de calor da substituição da bomba de deslocamento fixo por uma unidade de deslocamento variável resultou em uma redução significativa na temperatura do óleo hidráulico – o que normalmente é uma coisa boa!

Os engenheiros bloquearam a maior parte da seção de óleo hidráulico do resfriador e executaram o teste novamente. Isso devolveu o consumo de combustível ao nível original, mas não houve melhora significativa.

Concluiu-se que a modificação testada poderia resultar em uma pequena economia de custo com relação a uma redução no tamanho do resfriador de óleo. Mas com o consumo de combustível sendo mais importante do que qualquer modesta economia de capacidade de resfriamento, a ideia de pagar mais por uma bomba que resultou na manutenção de uma temperatura operacional mais baixa, mas aumentou o consumo de combustível, era irreconciliável com os engenheiros da máquina.

Lição aprendida

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 principais:

  • A carga de calor no sistema hidráulico foi reduzida (eficiência aumentada) pela substituição de uma bomba fixa por uma unidade de deslocamento variável;
  • Isso resultou em 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. Entretanto, o lado cauteloso disso é que, se o óleo for muito fino, você pagará por ele na oficina.

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

Outro detalhe desta história – que é pertinente aos projetistas de máquinas e às pessoas que compram suas máquinas – é que a maioria dos projetistas não trata o óleo como o componente chave do sistema hidráulico que é. A viscosidade do óleo hidráulico, o índice de viscosidade ou o índice de viscosidade ideal para os componentes hidráulicos no sistema aparentemente não foram considerados durante o teste. Isso sugere que a linha de base, oconsumo normal de combustível da máquina, foi apenas uma feliz coincidência.

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

Em outras palavras, os projetistas de máquinas falharam em considerar adequadamente todos os quatro lados do que eu chamo de Power Efficiency Diamond de uma máquina hidráulica.

O diamante de eficiência de energia

Eficiência de energia significa a relação entre a potência de saída e a potência. Noventa kW de potência de 100 kW é uma eficiência de 90%. Noventa kW de 110 kW é uma eficiência de 82%. E 90 kW de potência a partir de 120 kW é uma eficiência de 75%. Note que nos três casos, a potência de saída permanece a mesma: 90 kW. É apenas que a energia de entrada – portanto, o consumo de combustível ou eletricidade do motor principal necessário para obtê-lo – continua aumentando!

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 de energia de uma máquina hidráulica estão todos inter-relacionados; mude qualquer um, e a simetria do diamante é afetada.

A eficiência projetada reflete a eficiência “nativa” do hardware escolhido para o sistema. Esse hardware inclui o número de dispositivos de perda de energia presentes, 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 refrigeração 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 do Ar Ambiente na qual a máquina hidráulica opera. Isso influencia diretamente a temperatura do óleo de operação do sistema hidráulico, que determina em grande parte a Viscosidade do Óleo , completando o Diamante de Eficiência Energética.

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

Olhando para o Power Efficiency Diamond do ponto de vista de um proprietário de máquina, é útil notar que mesmo depois que a máquina foi projetada, construída e preenchida com óleo, eficiência de design, capacidade de refrigeração instalada e temperatura ambiente 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 é movida entre locais com diferentes condições climáticas, é bastante óbvia. E, embora a eficiência do design 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 se altere com o tempo como uma porcentagem da potência de entrada, a eficácia dela pode ser reduzida pelo desgaste dos componentes do circuito de resfriamento e – no caso de trocadores de calor de jacto de ar – variação no ar ambiente temperatura e altitude.

Portanto, colocar uma máquina hidráulica em seu “ponto ideal” de eficiência energética requer um design informado. Mantê-lo lá requer que a mudança nas variáveis ​​dependentes seja mantida no mínimo. Em ambos os casos, o Power Efficiency Diamond pode ser útil tanto para projetistas de máquinas quanto para proprietários de equipamentos hidráulicos na compreensão da tarefa em questão.

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

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