Circuito hidráulico cerrado

Un circuito hidráulico cerrado es un concepto de circulación en hidráulica en el que el fluido hidráulico circula directamente entre la bomba y el consumidor, sin pasar por un depósito sin presión. La tubería de retorno del motor está conectada al lado de aspiración de la bomba, lo que crea un circuito de fluido cerrado. Los circuitos hidráulicos cerrados se utilizan principalmente cuando se requieren una alta dinámica, un diseño compacto y una reversibilidad continua.

Fundamentos y funcionamiento del circuito hidráulico cerrado

El circuito hidráulico cerrado se diferencia fundamentalmente del circuito abierto por el tipo de conducción del fluido. En lugar de descargar el aceite a un depósito tras cada ciclo de trabajo, la tubería de baja presión devuelve el fluido directamente al lado de aspiración de la bomba. El sistema funciona como un circuito cerrado en el que el aceite hidráulico circula continuamente entre la bomba y el motor. El sentido de giro y la velocidad del consumidor se pueden controlar únicamente mediante el ajuste de la bomba, sin necesidad de válvulas de distribución.

Generación de presión y conducción del fluido

La bomba, normalmente una bomba de caudal variable de pistones axiales, impulsa el aceite a alta presión hacia el motor. El motor transforma la energía hidráulica en energía mecánica de rotación y devuelve el aceite por el lado de baja presión a la bomba. Dado que en este circuito no hay un gran depósito que sirva de amortiguador, la presión del sistema debe regularse activamente en ambas tuberías. Las presiones de servicio típicas en circuitos hidráulicos cerrados oscilan entre 300 y 450 bar; en aplicaciones especiales pueden alcanzarse presiones de hasta 500 bar.

Función de la bomba de realimentación

Un circuito hidráulico cerrado no puede funcionar sin componentes complementarios, ya que las fugas inevitables en la bomba y el motor extraen volumen de fluido del circuito. La bomba de realimentación, normalmente diseñada como bomba de caudal constante, compensa este volumen diferencial. Bombea aceite nuevo desde un pequeño depósito de reserva hacia el lado de baja presión del circuito, manteniendo así la presión mínima. Las presiones de realimentación típicas oscilan entre 10 y 30 bar. Esta presión de precarga evita la cavitación en el lado de aspiración de la bomba principal y garantiza que el circuito permanezca siempre completamente lleno de fluido.

Componentes de un circuito hidráulico cerrado

Además de la bomba y el motor, el circuito hidráulico cerrado requiere varios componentes adicionales que garantizan y protegen su funcionamiento. Cada uno de estos componentes cumple una función específica que, en el circuito abierto, se cubre mediante el depósito o mediante conceptos de válvulas más sencillos.

Válvula de purga

La válvula de purga deriva una parte del aceite calentado del lado de baja presión del circuito y lo conduce al depósito de reserva a través de un radiador. Dado que el aceite no circula por un depósito en el circuito cerrado, falta la disipación natural del calor. Sin la válvula de purga, la temperatura del aceite aumentaría continuamente, lo que alteraría la viscosidad y acortaría la vida útil de los componentes. La cantidad de aceite fresco que se repone sustituye al mismo tiempo al aceite caliente derivado, lo que da lugar a un intercambio continuo.

Válvulas limitadoras de presión

Las válvulas limitadoras de presión situadas a ambos lados del circuito protegen el sistema frente a picos de presión inadmisibles. Especialmente en caso de inversiones rápidas o cambios bruscos de carga pueden producirse picos de presión de corta duración que sobrecarguen los componentes. Las válvulas se abren cuando se alcanza la presión límite ajustada y desvían el aceite del lado de alta presión al de baja presión. En muchos modelos, estas válvulas están integradas directamente en la bomba o en el motor.

Válvulas de retención

Las válvulas de retención en la tubería de realimentación garantizan que el aceite de realimentación fluya siempre hacia la tubería que se encuentra en ese momento en el lado de baja presión. Dado que al cambiar la dirección se invierten los lados de alta y baja presión, las válvulas de retención deben realizar automáticamente esta conmutación. Al mismo tiempo, evitan que el aceite a presión fluya de vuelta desde el circuito principal hacia la tubería de realimentación.

Circuito hidráulico cerrado frente a circuito abierto

La comparación entre el circuito cerrado y el circuito abierto muestra las respectivas ventajas y desventajas de ambos conceptos. La elección del concepto de circuito depende de los requisitos de la aplicación en cuestión.

El circuito abierto ofrece ventajas en aplicaciones más sencillas con varios consumidores, ya que un depósito central garantiza el suministro de aceite a todos los circuitos. El circuito hidráulico cerrado destaca cuando un único accionamiento requiere una alta dinámica y eficiencia energética.

Ámbitos de aplicación del circuito hidráulico cerrado

Los circuitos hidráulicos cerrados se encuentran tanto en la hidráulica móvil como en las instalaciones industriales fijas. Los requisitos comunes de estas aplicaciones son una alta densidad de potencia, un control continuo de la velocidad y el par, así como la capacidad de inversión rápida.

Hidráulica móvil

En la hidráulica móvil, los circuitos hidráulicos cerrados predominan en los accionamientos de desplazamiento de cargadoras sobre ruedas, excavadoras y cargadoras telescópicas. También los accionamientos de cabrestantes en grúas y buques, así como los accionamientos de giro de los mecanismos giratorios, funcionan con este concepto de circuito. El diseño compacto sin un depósito de gran tamaño es una ventaja decisiva en vehículos donde el espacio de montaje y el peso son limitados. El control continuo de la marcha mediante el ajuste de la bomba permite maniobrar y frenar con precisión a través del sistema hidráulico, lo que reduce el desgaste de los frenos mecánicos.

Instalaciones industriales fijas

En aplicaciones fijas, los circuitos hidráulicos cerrados se utilizan en prensas, máquinas de moldeo por inyección y laminadoras. Los bancos de pruebas y las instalaciones de ensayo también utilizan este concepto cuando se requieren tiempos de ciclo rápidos y perfiles de movimiento reproducibles. Los reductores industriales y los accionamientos de ventiladores se benefician de la alta eficiencia y de la reversibilidad del sentido de giro sin necesidad de válvulas de dirección adicionales. En fundiciones y laminadoras, los sistemas compactos con un volumen mínimo de aceite permiten accionamientos de alto rendimiento en espacios reducidos.

Control y regulación en un circuito hidráulico cerrado

El control de un circuito hidráulico cerrado se realiza principalmente mediante el ajuste de la bomba principal. El ángulo de giro de la bomba de pistones axiales determina la dirección de bombeo y el caudal, lo que permite controlar directamente el sentido de giro y la velocidad del motor. Este acoplamiento directo entre el ajuste de la bomba y el comportamiento del motor permite tiempos de reacción cortos y una alta calidad de regulación.

Control hidráulico

En el control puramente hidráulico, el mecanismo de regulación de la bomba se acciona mediante presiones de control. Las válvulas DA (válvulas de presión y caudal) regulan el ajuste en función de la presión del sistema y del comportamiento de marcha deseado. Esta solución se utiliza con frecuencia en accionamientos de marcha sencillos, en los que no es necesario un control electrónico.

Regulación electrohidráulica

Los circuitos hidráulicos cerrados modernos utilizan cada vez más controles electrohidráulicos. Las válvulas proporcionales controlan el mecanismo de regulación de la bomba basándose en señales eléctricas procedentes de un controlador superior. Esto permite la integración en sistemas automatizados que alcanzan y supervisan con precisión los puntos de funcionamiento. Los sensores registran la presión, la temperatura y la velocidad en tiempo real y facilitan los datos al controlador para la regulación adaptativa. La regulación electrohidráulica mejora la eficiencia, ya que el punto de funcionamiento de la bomba se puede mantener siempre en el rango óptimo.

Mantenimiento y conservación

El mantenimiento de un circuito hidráulico cerrado requiere una atención especial, ya que el aceite circula continuamente por el circuito y las impurezas no pueden depositarse en el depósito, como ocurre en un circuito abierto. Las partículas circulan por el sistema hasta que son captadas por el filtro o causan daños.

Calidad del aceite y filtrado

La pureza del aceite es más crítica en el circuito hidráulico cerrado que en el sistema abierto. La tubería de realimentación es el punto central para la filtración, ya que por aquí pasa todo el aceite nuevo realimentado a través del filtro. Es imprescindible utilizar elementos filtrantes de alta calidad con la finura adecuada. Los análisis periódicos del aceite proporcionan información sobre las partículas de desgaste, el contenido de agua y los cambios de viscosidad.

Gestión de la temperatura

Dado que el circuito hidráulico cerrado no ofrece refrigeración natural a través de un gran depósito, la temperatura del aceite debe supervisarse y regularse de forma activa. La válvula de purga desvía un caudal definido de aceite calentado del circuito y lo conduce al depósito de reserva a través de un radiador de aceite. El dimensionamiento del enfriador debe adaptarse a la potencia disipada que se desea eliminar. Si la refrigeración es insuficiente, la temperatura del aceite aumenta, lo que reduce la viscosidad, disminuye la capacidad de soporte de la película lubricante y, en última instancia, provoca daños en los componentes.

Control de fugas

La cantidad de reabastecimiento es un indicador directo del estado del circuito. Si la necesidad de reposición supera el valor habitual de entre el 5 y el 10 % del caudal principal, esto indica un aumento de las fugas internas, que pueden deberse al desgaste de los pistones, los discos de control o las juntas. La supervisión continua del caudal de reposición permite un mantenimiento basado en el estado y evita averías inesperadas.

Ventajas y desventajas del circuito hidráulico cerrado

La decisión de optar por un circuito hidráulico cerrado conlleva ventajas y desventajas específicas que los diseñadores deben sopesar durante el diseño.

Ventajas

• Alta eficiencia energética: la bomba suministra solo el caudal realmente necesario. A carga parcial y en parada, el consumo de energía se reduce significativamente en comparación con los sistemas abiertos con bombas de caudal constante.
• Diseño compacto: la ausencia de un depósito de gran tamaño reduce considerablemente el volumen y el peso de la instalación.
• Inversión rápida: la inversión del sentido de giro se realiza únicamente mediante el ajuste de la bomba, sin necesidad de conmutar válvulas de dirección. Esto acorta los tiempos de reacción.
• Regulación precisa: la velocidad y el par se pueden ajustar de forma continua y con gran precisión, lo cual es imprescindible para tareas exigentes de desplazamiento y posicionamiento.
• Recuperación de energía de frenado: cuando las cargas descienden, el motor puede funcionar como bomba y devolver la energía de frenado al circuito.

Desventajas

• Mayor complejidad del sistema: los componentes adicionales necesarios, como la bomba de realimentación, la válvula de purga y las válvulas de retención, aumentan el esfuerzo de diseño y puesta en marcha.
• Capacidad limitada para múltiples consumidores: un circuito hidráulico cerrado suele abastecer a un solo consumidor. Para varios consumidores se necesitan circuitos separados o costosos circuitos adicionales.
• Mayores requisitos de pureza del aceite: las impurezas circulan por el sistema y pueden causar daños si no se filtran a tiempo.
• Localización de averías más compleja: el estrecho acoplamiento de los componentes y la falta de control visual sobre el depósito hacen que el diagnóstico sea más complejo que en los sistemas abiertos.

Normas y estándares

Los requisitos técnicos de seguridad para los sistemas hidráulicos con circuito hidráulico cerrado están regulados por la norma DIN ISO 4413. Esta norma establece especificaciones para la limitación de presión, la gestión de fugas, el etiquetado y la puesta en servicio. Además, se aplican los requisitos generales para los fluidos hidráulicos en cuanto a viscosidad, estabilidad térmica y clase de pureza. Fabricantes como Bosch Rexroth, Danfoss y Liebherr ofrecen instrucciones de diseño detalladas para circuitos hidráulicos cerrados que van más allá de los requisitos de la norma e incluyen reglas de dimensionamiento probadas en la práctica.