Eficacia global

En hidráulica, el rendimiento global describe la relación entre la potencia útil suministrada y la potencia aplicada a un componente hidráulico o a un sistema completo. Este valor resume todas las pérdidas de energía e indica la eficiencia con la que funciona una bomba hidráulica, un motor hidráulico o una instalación. Un alto rendimiento global significa menos pérdidas de potencia y un menor consumo de energía.

Composición del rendimiento global

El rendimiento global de una máquina hidráulica es el producto del rendimiento volumétrico y del rendimiento hidromecánico. Ambos rendimientos parciales recogen diferentes mecanismos de pérdida que se producen en cualquier máquina de desplazamiento. Solo cuando ambos rendimientos parciales se sitúan en un nivel elevado, el rendimiento total alcanza también valores satisfactorios.

Rendimiento volumétrico

El rendimiento volumétrico describe la relación entre el caudal volumétrico realmente bombeado o absorbido y el caudal volumétrico teóricamente posible. La diferencia se debe a corrientes de fuga internas que fluyen desde la zona de alta presión hacia la de baja presión o hacia el exterior. Las geometrías de las ranuras en los pistones, los discos de control y las superficies de sellado constituyen las principales vías de fuga. Un rendimiento volumétrico del 90 % significa que el 10 % del caudal volumétrico teórico se pierde en forma de fuga.

Las pérdidas por fugas dependen en gran medida de la viscosidad del aceite hidráulico. A baja viscosidad, por ejemplo debido a altas temperaturas de funcionamiento, aumentan las corrientes de fuga y disminuye el rendimiento volumétrico. Por el contrario, una mayor viscosidad reduce las fugas, pero al mismo tiempo aumenta las pérdidas por fricción, lo que afecta al rendimiento hidromecánico. Este conflicto de objetivos hace que la elección del aceite adecuado y de la temperatura de funcionamiento sea un aspecto fundamental para la optimización de la eficiencia.

Rendimiento hidromecánico

El rendimiento hidromecánico recoge todas las pérdidas que se producen por la fricción dentro de la máquina. Entre ellas se incluyen la fricción de sólidos en cojinetes y juntas, la fricción de fluidos en las ranuras, así como las pérdidas de flujo en las transiciones y ranuras de control. La denominada potencia de carrera nula, que una bomba debe generar incluso en funcionamiento sin presión, también forma parte de las pérdidas hidromecánicas.

Al aumentar la presión, el rendimiento hidromecánico aumenta inicialmente, ya que la potencia útil crece en proporción a las pérdidas por fricción. A presiones muy bajas, por ejemplo, por debajo de 10 bar, la fricción domina el balance de potencia y el rendimiento hidromecánico desciende notablemente. Este efecto explica por qué las bombas hidráulicas suelen presentar rendimientos globales significativamente peores en funcionamiento a carga parcial que en funcionamiento nominal.

Rendimientos globales típicos de los componentes hidráulicos

Los rendimientos totales alcanzables varían considerablemente entre los distintos tipos de construcción. Los diseñadores deben tener en cuenta estas diferencias a la hora de seleccionar bombas y motores, ya que influyen directamente en el consumo de energía y la generación de calor de la instalación.

Rendimientos globales de las bombas hidráulicas

Las bombas de pistones axiales alcanzan los mayores rendimientos globales, ya que la geometría de la superficie de control de sus pistones limita tanto las fugas como las pérdidas por fricción. En el punto de funcionamiento óptimo, con presiones de entre 200 y 280 bar y velocidades de entre 1500 y 1800 rpm, los valores superan el 90 %. Las bombas de engranajes presentan rendimientos más bajos debido a sus espacios de separación relativamente grandes y a la falta de posibilidad de regulación. Su punto fuerte radica más en su robustez y su bajo coste que en su eficiencia.

Rendimientos totales de los motores hidráulicos

Los motores hidráulicos suelen alcanzar, con un diseño similar, rendimientos totales ligeramente superiores a los de las bombas. La razón radica en que los motores no tienen que realizar un bombeo activo contra una resistencia a la presión, sino que transforman la presión en movimiento giratorio. Los mecanismos de pérdida son similares, pero la ponderación cambia: en los motores, las pérdidas de flujo en los canales de entrada tienen menos peso que las pérdidas de bombeo en las bombas.

Factores que influyen en el rendimiento global

El rendimiento global no es un valor fijo, sino que depende en gran medida de las condiciones de funcionamiento. Un mismo motor de pistones axiales puede alcanzar rendimientos de entre el 60 y el 94 por ciento, dependiendo del punto de funcionamiento. Quien planifique o gestione instalaciones debe conocer estas dependencias para hacer funcionar los componentes en el rango de trabajo más eficiente.

Presión y velocidad

La presión del sistema influye en el rendimiento global a través de ambos rendimientos parciales. Al aumentar la presión, aumentan los caudales de fuga, lo que reduce el rendimiento volumétrico. Al mismo tiempo, aumenta el rendimiento hidromecánico, ya que las pérdidas por fricción disminuyen en relación con la potencia transmitida. En resumen, para la mayoría de las bombas y motores se alcanza un rendimiento máximo en el rango de la presión nominal. Por debajo de 10 bar, el rendimiento total desciende drásticamente.

La velocidad de giro también influye en ambos rendimientos parciales, aunque en sentido contrario. Las velocidades más altas mejoran el rendimiento volumétrico, ya que la fuga por revolución se mantiene constante, pero el caudal volumétrico transportado aumenta. Al mismo tiempo, aumentan las pérdidas por fricción, especialmente la fricción del líquido en las ranuras. También en este caso existe un rango de revoluciones óptimo, que varía en función del tamaño y el tipo de construcción.

Viscosidad y temperatura

La viscosidad del aceite hidráulico es uno de los factores que más influyen en el rendimiento global. Con una viscosidad óptima, que para la mayoría de las aplicaciones industriales se sitúa entre 30 y 50 mm²/s, las bombas y los motores alcanzan sus mejores valores. Si la viscosidad se desvía al alza o a la baja, uno de los dos rendimientos parciales empeora inevitablemente.

Las altas temperaturas de funcionamiento reducen la viscosidad y aumentan las fugas, mientras que las bajas temperaturas hacen que la viscosidad aumente y se intensifique la fricción. Un suministro de aceite con control de temperatura, que mantiene el aceite hidráulico en el rango óptimo de viscosidad, mejora de forma sostenible el rendimiento global. En la práctica, las instalaciones con regulación de la temperatura del aceite suelen alcanzar rendimientos varios puntos porcentuales superiores a los de los sistemas sin regulación de temperatura.

Funcionamiento a carga parcial

En el funcionamiento a carga parcial, es decir, con un caudal o una velocidad reducidos, la eficiencia global disminuye significativamente en casi todos los tipos de construcción. Las bombas de desplazamiento variable, que reducen su volumen de desplazamiento a una pequeña fracción, funcionan con pérdidas por fugas relativas muy elevadas. La potencia de carrera nula también cobra importancia con un ajuste reducido. En los motores de eje oblicuo que se reducen a menos del 30 % de su ajuste máximo, el rendimiento global puede caer entre 10 y 20 puntos porcentuales por debajo del valor nominal.

Esta relación es especialmente relevante para aplicaciones con una demanda de potencia muy variable. En estos casos, los sistemas de bombas múltiples o los controles en función de la carga ofrecen ventajas, ya que pueden mantener las bombas activas siempre en un rango de funcionamiento con un alto rendimiento.

Medición y normalización del rendimiento global

La norma principal para la medición del rendimiento de las máquinas hidráulicas de desplazamiento es la ISO 4409. Define los procedimientos de ensayo para bombas, motores y transmisiones compactas hidráulicas, incluyendo la configuración del banco de pruebas, la colocación de los sensores y el procedimiento de ensayo. La precisión de la medición se clasifica en clases, siendo la clase B la habitual para la mayoría de las aplicaciones industriales.

En un banco de pruebas conforme a la norma ISO 4409 se registran simultáneamente la presión, el par y el caudal. A partir de estas magnitudes de medición se pueden determinar tanto el rendimiento volumétrico como el hidromecánico y, a partir de ahí, calcular el rendimiento global. La norma garantiza que los resultados de los distintos fabricantes sean comparables.

La norma DIN EN ISO 4413, por su parte, regula los requisitos técnicos de seguridad de las instalaciones hidráulicas y no contiene especificaciones directas sobre la medición del rendimiento. No obstante, es relevante para los operadores de instalaciones, ya que establece requisitos de diseño que influyen indirectamente en la eficiencia, como la especificación de que las instalaciones deben diseñarse de manera que no generen calor innecesario.

Importancia del rendimiento global para el diseño de la instalación

El rendimiento global tiene consecuencias directas para el diseño de un sistema hidráulico. Cada punto porcentual de potencia que se pierde en la bomba o en el motor se convierte en calor. Este calor debe disiparse mediante radiadores, lo que requiere energía adicional y espacio de instalación. Una bomba con una eficiencia global del 85 % convierte el 15 % de la potencia de accionamiento en calor. Con una potencia de accionamiento de 100 kW, esto supone una pérdida de potencia de 15 kW que grava el radiador de aceite.

Los diseñadores que optimizan la eficiencia total ya en la fase de diseño no solo reducen el consumo energético de la instalación, sino también los costes de refrigeración y filtrado. En instalaciones industriales de funcionamiento continuo, como las máquinas de moldeo por inyección o las prensas, el uso de componentes más eficientes suele amortizarse en pocos años gracias al ahorro en los costes energéticos.

Medidas para mejorar la eficiencia global

Existen diversos enfoques que ayudan a mejorar la eficiencia global de un sistema hidráulico o a mantenerla en un nivel alto:

• Selección de componentes: la elección del tipo de construcción adecuado para cada aplicación es el factor más importante. Las bombas y motores de pistones axiales ofrecen las mejores condiciones para alcanzar altos rendimientos con cargas variables.
• Optimización del punto de funcionamiento: las bombas y los motores deben funcionar lo más cerca posible de su rendimiento máximo. Los sistemas de regulación variables en función de la carga ayudan a ajustar el punto de funcionamiento.
• Gestión de la temperatura del aceite: un suministro de aceite a temperatura controlada mantiene la viscosidad en el rango óptimo y evita pérdidas de eficiencia debidas a temperaturas demasiado altas o demasiado bajas.
• Mantenimiento y monitorización del estado: el desgaste de los pistones, los discos de control y las juntas aumenta las fugas y reduce el rendimiento volumétrico. Los análisis periódicos del aceite y las mediciones de presión y caudal detectan a tiempo las pérdidas de rendimiento.
• Arquitectura del sistema: los sistemas de múltiples bombas, los controles de detección de carga y los accionamientos con regulación de velocidad reducen las pérdidas a carga parcial y mejoran la eficiencia global de la instalación.

Tendencias de desarrollo

Los requisitos de eficiencia energética de los sistemas hidráulicos aumentan continuamente, impulsados por las normativas legales y la presión económica. Los fabricantes desarrollan bombas y motores con geometrías de ranura optimizadas que reducen las fugas sin aumentar la fricción. Los nuevos procesos de recubrimiento para pistones y discos de control reducen el desgaste y estabilizan la eficiencia global a lo largo de la vida útil.

Además, los conceptos de accionamiento con regulación de velocidad están cobrando importancia. Permiten regular el caudal no mediante el ajuste de la bomba, sino mediante la adaptación de la velocidad del motor. De este modo, se eliminan las pérdidas por ajuste y la eficiencia global mejora notablemente, especialmente en funcionamiento a carga parcial. La tecnología de sensores, que mide la presión, la temperatura y el caudal directamente en el componente, permite además un control optimizado en tiempo real para el punto de funcionamiento.