Usos y aplicaciones de la energía hidráulica

El desarrollo de sistemas y componentes hidráulicos se ha centrado en las últimas décadas en la eficiencia energética y la capacidad de control de este tipo de energía. Gracias a los componentes actuales, como bombas, motores y válvulas accionados eléctricamente, combinados con los sistemas de control electrónico correspondientes, la flexibilidad de la tecnología hidráulica ha aumentado significativamente.  Por eso, en la actualidad se puede hablar de usos de la energía hidráulica en plural. Uno de los temas que se analizan en el Bachelor Online en Ingeniería en Organización Industrial de Universitat Carlemany.

Usos de la energía hidráulica y ahorro energético

Según el profesor emérito de la Universidad de Linköping, Karl-Erik Rydberg, muchos de los usos de la energía hidráulica pueden disminuir los costes empresariales entre un 20 y un 50%.

Es cierto que hace ya décadas que se trabaja en el desarrollo eficiente de la energía hidráulica. Aun así, todavía existen relativamente pocas aplicaciones prácticas capaces de reducir las pérdidas y minimizar el consumo energético. El motivo es que la reducción óptima de energía requiere que se minimicen todas las pérdidas: el flujo, la presión y las pérdidas mecánicas. Si se utilizan acumuladores para el almacenamiento y la recuperación de energía, también se deben tener en cuenta las pérdidas térmicas del acumulador. Un requisito previo para lograr una posible minimización de pérdidas es que el concepto del sistema y la selección de componentes se adapten bien a la tarea.

Sistemas móviles controlados por válvulas

Uno de los usos de la energía hidráulica más comunes se da en vehículos y maquinaria pesada. Ambos funcionan casi exclusivamente con sistemas controlados por válvulas. Una ventaja sustancial de la válvula es que se puede utilizar una bomba para el funcionamiento simultáneo de múltiples cargas. La principal desventaja son las pérdidas significativas de la válvula, especialmente con grandes diferencias en la presión de carga.

Los sistemas tradicionales ofrecen un importante potencial de ahorro de energía. El control electrónico de bombas y válvulas a través del llamado ajuste de flujo, significa que la diferencia entre la presión de la bomba y la presión de carga máxima se puede reducir de 25 bar a aproximadamente 10 bar. Un concepto de sistema que utiliza esta tecnología es el sistema Electro Hydraulic Flow Matching (EFM) de Bosch Rexroth.

Sistemas controlados por bombas: transmisiones

La transmisión hidrostática en serie con una caja de cambios mecánica del tipo power-shift es un tipo común de transmisión en maquinaria. La ventaja de este concepto es la sencillez y la controlabilidad. Aunque las pérdidas en dicho sistema de propulsión son relativamente grandes.

Una forma de mejorar la eficiencia de la línea de transmisión y aumentar la gama de engranajes es integrar la mecánica con la hidráulica para obtener una transferencia paralela de potencia hidráulica y mecánica, la denominada transmisión hidromecánica de "potencia dividida". Estos tipos de transmisiones han formado parte del mercado durante muchos años, pero solo recientemente se han comenzado a desarrollar transmisiones de potencia dividida más avanzadas.

Usos de la energía hidráulica en sistemas híbridos para vehículos pesados

La motivación para usar propulsores híbridos en vehículos pesados es principalmente poder almacenar energía de frenado y luego usar esa energía para acelerar. Por tanto, el potencial de ahorro de energía de un sistema híbrido depende en gran medida del perfil de velocidad del vehículo. Una aceleración rápida seguida de una desaceleración (frenado) logra el máximo ahorro energético. Uno de los sistemas de propulsión híbridos más eficientes energéticamente en la actualidad en el mercado es RUNWISE de Parker.

Con el sistema RUNWISE montado en camiones pesados (40 toneladas) se han medido ahorros de combustible de hasta un 50% para un ciclo de conducción específico. El promedio de mediciones en varios camiones de basura es un 43% menos de consumo de combustible. Las ventajas adicionales del sistema híbrido son que el camión de basura puede proporcionar una mayor productividad y reducir los costes de mantenimiento.

Acumuladores y fluidos hidráulicos

Algunos de los elementos de la máquina más importantes en la construcción de un sistema hidráulico energéticamente eficiente son, sin duda, el acumulador hidráulico y el fluido hidráulico. Por lo tanto, es vital que las características de estos componentes se consideren en el diseño del sistema.

Acumuladores hidráulicos

Los acumuladores hidráulicos sufren pérdidas y las pérdidas térmicas dominantes son causadas por el flujo de calor entre el gas y el medio ambiente. La eficiencia térmica del acumulador depende de la frecuencia, es decir, de la velocidad de un ciclo de llenado y vaciado. La eficiencia tiene su frecuencia de interferencia más baja cuando el tiempo térmico del acumulador es constante.

En los últimos años se ha vuelto cada vez más común utilizar acumuladores "ligeros" en sistemas híbridos. Dichos acumuladores incorporan una carcasa de materiales compuestos que proporcionan un aislamiento térmico significativamente mejor que una carcasa metálica. Por tanto, aumentará la constante de tiempo térmica del acumulador.

Sin embargo, hay un inconveniente de los acumuladores "ligeros" y es que la capacidad de almacenamiento de energía disminuye a medida que aumenta el tamaño del material aislante del calor que rodea el gas en el acumulador.

Fluidos hidráulicos

Las propiedades físicas de los fluidos a presión se definen por su índice de viscosidad, módulo de volumen, densidad, propiedades lubricantes, estabilidad al cizallamiento, longevidad, etc.

Las pérdidas que más deben tenerse en cuenta son las de viscosidad y la variación en el índice de viscosidad. La vida útil del fluido hidráulico está determinada principalmente por su estabilidad. Es especialmente importante la estabilidad al cizallamiento porque afecta a la acumulación de película en los espacios de sellado (lubricidad), al flujo de fuga y a la pérdida de presión en el sistema.

El parámetro que controla las pérdidas en los componentes y sistemas de gestión es la viscosidad. Qué viscosidad seleccionar para maximizar la eficiencia de un sistema hidráulico es una pregunta que no tiene una respuesta sencilla. El efecto de la viscosidad en las pérdidas se debe a las condiciones de funcionamiento de los componentes individuales, como el flujo, la presión y la velocidad. Además, debe tenerse en cuenta el efecto de la temperatura sobre la viscosidad.

Resulta evidente que los usos de la energía hidráulica son múltiples y variados en el entorno industrial, y que queda mucho por hacer en el ámbito de la mejora energética en este campo. Todo un reto para los nuevos profesionales de la ingeniería industrial.