Debido a los muchos riesgos de exceso de calor en un sistema hidráulico –tales como descomposición del fluido, incremento de desgaste en los componentes del sistema, daño de sellos y baleros…–, la necesidad de un intercambiador efectivo es a menudo una consideración esencial.
Los sistemas hidráulicos pequeños con bajas temperaturas de operación pueden confiar en la convección natural, pero cuando esto no provee suficiente enfriamiento, se necesita un intercambiador de calor. También puedes notar que se necesita un intercambiador de calor cuando se requiere una temperatura de aceite específica para estabilizar la viscosidad del fluido hidráulico, o cuando el equipo tiene una historia de problemas de calentamiento de aceite, tal como vida de sellos muy corta o fugas de aceite frecuentes.
Si trabajas con equipos móviles grandes (por ejemplo: construcción, militar, forestal o unidades de manejo de material) o máquinas de procesos comercial/industrial con sistemas hidráulicos, el fluido caliente es un factor a tener muy cuenta. Un intercambiador de calor adecuado en cualquier equipo puede ahorrarle tiempo, dinero y problemas de reparación.
¿Cómo elegir el enfriador adecuado?
Según Rick Morton, Gerente de Desarrollo Comercial, de la División de Parker Acumuladores y Enfriadores: “Hay muchos factores a considerar y una amplia gama de intercambiadores de calor, con ciertos beneficios para cada tipo. La elección de un intercambiador de calor generalmente se relaciona directamente con el tipo de sistema a ser enfriado. Esto significa que debe tener en cuenta los parámetros vitales, como la carga térmica, el espacio disponible, las condiciones ambientales, la fuente de alimentación, el ruido, los costos de operación, etc.”.
La definición precisa de las necesidades de enfriamiento hidráulico puede ser confusa porque la generación de calor real a menudo varia a medida que una maquina pasa por diferentes ciclos, y porque la temperatura ambiente u otros factores ambientales pueden afectar los niveles de calor del sistema.
Al considerar la aplicación y el dimensionamiento de los intercambiadores de calor, se debe utilizar la temperatura de operación ideal del fluido hidráulico y el tiempo que se tarda en llegar a esa temperatura. «Ya sea un nuevo diseño o una modificación, es difícil elegir el intercambiador de calor adecuado sin identificar los desafíos y realizar todos los cálculos”, explico Morton.
Afortunadamente, la mayoría de los fabricantes de intercambiadores de calor ofrecen software para ayudar a determinar la mejor opción para cada aplicación. Por ejemplo, Parker ofrece un programa online de dimensionamiento y otros recursos interactivos en los que un ingeniero puede agregar especificaciones para tener una mejor idea de qué es exactamente lo que se necesita.
Cuando trabajamos con un fabricante para seleccionar el intercambiador, deberás proporcionar la siguiente información:
- Carga de calor en el aceite BTU/Hr
- Flujo de aceite en GPM
- Temperatura máxima requerida en el aceite
- Temperatura máxima del ambiente durante la operación
- Contaminantes ambientales que pueden afectar al sistema
- Caída de presión máxima permitida
Si el intercambiador de calor es enfriado por agua, necesitarás conocer la temperatura de entrada y el caudal de agua. La mayoría de la literatura de los fabricantes incluye ejemplos, pasos y ecuaciones simplificadas para ayudar a dimensionar los intercambiadores de calor adecuadamente.
Una vez que se definan los parámetros de carga de calor y otros factores clave que influyen, los siguientes pasos en el proceso de toma de decisiones incluyen la elección del intercambiador de calor enfriado por agua o aire.
Intercambiadores de calor enfriados por aire
Cuando no hay una fuente de agua disponible, o la opción es remover el calor del aceite a través del aire circundante, se utiliza un enfriador de aceite de aire. El aceite caliente pasa por los tubos del intercambiador de calor y los turbuladores ayudan a romper el flujo laminar para promover la transferencia de calor eficiente del fluido a la pared del tubo. Hay dos tipos de construcción para los núcleos utilizados en enfriadores de aceite de aire:
- La construcción del tubo y aleta consiste en tubos ovalados o redondos y una serie de aletas externas. Este diseño es ligero y ofrece baja caída de presión. Los tubos suelen ser de aluminio soldado y tienen paredes delgadas, por lo que son susceptibles a daños por presiones externas y cualquier residuo externo que pueda encontrarse en la aplicación.
- Construcción de barra y placa. Se caracteriza por su diseño compacto y eficiente. Proporciona más enfriamiento por pulgada cubica que las unidades de tubo y aleta. La construcción básica consiste en cámaras con aletas separadas por placas planas que dirigen los fluidos a través de pasajes calientes y fríos alternados. Este diseño da como resultado un tipo de estructura tipo nido de abeja que ofrece una alta resistencia a las vibraciones y golpes. Otra razón para usar barra y placa es que la flexibilidad del diseño es mucho mayor que el tipo aleta y tubo. Los tamaños del pasaje aleteados se varían cambiando la altura y densidad de la aleta. El tamaño de un intercambiador de calor de barra y placa se puede personalizar para ajustarse a una estructura en particular.
Los enfriadores de aceite de aire generalmente tienen un ventilador accionado por un motor hidráulico o eléctrico. El equipo móvil, como en la construcción, forestal, manejo de materiales… usaría ya sea de motor hidráulico o motor DC. Los equipos industriales y HPUs tienen motores eléctricos AC conectados a los ventiladores y extraen aire a través del núcleo del enfriador. De acuerdo a Morton, los fabricantes de intercambiadores de calor ofrecen muchas configuraciones de motores diferentes, voltajes, y desplazamientos, según los requisitos de la aplicación.
Intercambiadores de calor enfriados por agua
Cuando la opción es eliminar el calor del aceite por medio de un segundo fluido (típicamente agua) se utiliza un enfriador agua-aceite. Los intercambiadores de carcasa y tubo han sido el pilar de la industria por más de 50 años, sin embargo se han desarrollado nuevos diseños para aumentar la efectividad y proporcionar una superficie de transferencia de calor en un paquete más pequeño para reducir el costo.
Los intercambiadores de casco y tubo tienen una carcasa exterior con bridas a los extremos de la carcasa. Un patrón preciso de tubos dentro de la carcasa corre a lo largo de la carcasa y termina en placas. Los extremos del tubo están sujetos a las placas terminales que sellan cada extremo de la carcasa. El agua fría fluye dentro de los tubos y el aceite hidráulico caliente fluye alrededor de los tubos dentro de la carcasa. Los tubos pasan por una serie de placas deflectoras que proporcionan rigidez estructural y crean un laberinto a través del cual debe fluir fluido caliente. Este patrón mejora la transferencia de calor forzando al fluido caliente a fluir perpendicular a los tubos y promoviendo el flujo laminar.
El diseño de carcasa y tubo de alta eficiencia agrega varias aletas a los lados externos de los tubos. Esta aleta proporciona más área de superficie y mejoran el coeficiente de transferencia de calor, reduciendo de ese modo el tamaño del intercambiador de calor en configuraciones de carcasa y tubo estándar. Sin embargo, debido al área de superficie interna de transferencia de calor aumentada, la caída de presión es mayor a las versiones anteriores.
Diseños más nuevos
Otro diseño de intercambiador más nuevo es el de placa soldada. Con un intercambiador de placa soldada, la superficie de transferencia de calor consiste en una serie de placas de acero inoxidable cada una estampada con un patrón corrugado diseñado para una combinación de alta resistencia, eficiencia y resistencia a la suciedad. El número y diseño de las placas varían de acuerdo con la capacidad de transferencia deseada. Las placas se apilan juntas con láminas delgadas de cobre o níquel entre cada placa. El paquete de placas y conexiones se sueldan en un horno al vacío para asegurar los bordes de las placas y en todos los puntos de contacto. Las conexiones de entrada y salida están disponibles en varios estilos. El intercambiador de placas soldadas contiene aproximadamente un octavo de volumen de líquido de la contraparte de carcasa y tubos. El intercambiador de placas soldadas es compacto, resistente, y proporciona una alta capacidad de transferencia de calor. La construcción de acero inoxidable y el diseño de placas soldadas permite flujos de hasta 20 pies/seg. Estas más altas velocidades junto con el flujo turbulento proporcionan rangos de transferencia de calor de 3 a 5 veces que los de carcasa y tubo.
El rango de transferencia de calor más alto significa que se requiere menos área para una capacidad dada. Cuando el tamaño y espacio son consideraciones de diseño, un intercambiador de placas soldadas puede ser la mejor opción. Las pruebas muestran que los diseños de placas soldadas pueden manejar partículas de hasta 1 mm sin problemas (se debe de usar un filtro si se encuentran partículas más grandes. Debido a su construcción se deben de limpiar químicamente y no mecánicamente.
Simplificando la elección
Dado las diversas variables involucradas, no es raro que algunos ingenieros retrasen sus decisiones sobre las especificaciones del intercambiador de calor hasta después de ver cómo funciona un sistema y cuanta transferencia de calor se necesita realmente.
Para agilizar aún más esa toma de decisiones, Parker creo parámetros esenciales para el dimensionamiento del enfriador. Esta lista está disponible visitando la página: www.parker.com/coolersizingform
Y si necesitas más ayuda para el mantenimiento de tus sistemas y componentes de oleohidráulica o tienes dudas acerca de cómo poder enfriar tu sistema, solo tienes que ponerte en contacto con los expertos de Madi Control: estamos en Málaga (calle Malta número 15), por email (info@madicontrol.com) o por teléfono (952 341 204). Te asesoramos sin compromiso.
