1. Propiedades de los fluidos hidráulicos

Para comprender de forma adecuada el comportamiento de los sistemas hidráulicos, es necesario conocer previemente varias propiedades de los fluidos que determinan su comportamiento:

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Densidad.

Cociente entre la masa de una determinada sustancia y el volumen que ésta ocupa.


Imagen 2. isftic. Creative Commons

La unidad de densidad en el Sistema Internacional de Unidades (S.I.) es el kg/m3. También son muy empleadas otras unidades como el g/cm3 o el Kg/l.

A lo largo del tema consideraremos que los fluidos hidráulicos son incompresibles. Es decir, su volumen no variará con los cambios de presión y por lo tanto su densidad será constante. Esta suposición no tendría sentido en el caso de los gases, sin embargo es de aplicación general cuando se estudian líquidos.

En ocasiones el valor de la densidad de un fluido no se indica como un valor absoluto, sino que se compara con el valor de la densidad del agua. En ese caso hablaremos de la densidad relativa. Densidad relativa será el cociente entre la densidad del líquido consideraro y la del agua, es por lo tanto una magnitud adimensional.

Otra variante de la densidad es el volumen específico. La densidad representa la cantidad de masa de una sustancia que hay en cada unidad de volumen. Si hacemos el cálculo al revés y dividimos el volumen de un sistema por su masa lo que obtendremos será un número que nos indica la cantidad de volumen que es necesario coger para tener en él la unidad de masa del sistema. Este valor es el volumen específico. Se calculará:

Las unidad de esta magnitud en el S.I. serán pues m3/kg.

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Presión de vapor

Presión que ejerce el vapor generado por un fluido dentro de un espacio cerrado cuando se equilibran la cantidad de fluido evaporado y el que se vuelve a condensar.

La presión de vapor es una magnitud directamente proporcional a la temperatura del fluido.


Cuando se iguala la presión de vapor de un fluido a la presión del exterior, el líquido entra en ebullición. En esta propiedad se basa el fenómeno de la cavitación que provoca enormes pérdidas y destrozos en las conducciones de fluidos debido a la corrosión ocasionada.

La cavitación tiene lugar cuando ciertos fluidos que son conducidos por un circuito, puede ocurrir que haya zonas singulares, en que la presión disminuya, si lo hace por debajo de la presión de vapor del fluido, provocará que parte de este hierva, generándose burbujas que son conducidas hasta zonas donde haya mayores presiones, condensándose de nuevo.

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Viscosidad

Oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales.

En el caso que nos ocupa, la viscosidad se pone de manifiesto por la fricción y el rozamiento que se produce entre las moléculas de un fluido al circular por una conducción y entre las moléculas del fluido y las paredes interiores de los conductos del circuito.


Se dice que la viscosidad de un fluido es baja cuando éste circula con facilidad por una conducción. La viscosidad se suele medir en grados Engler, que indican la velocidad de trasiego de 200 cm3 de fluido a través de un conducto cilíndrico de platino con un diámetro de 2,8 mm.

La viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura. La relación entre estas dos magnitudes se mide a través del Índice de viscosidad.

  • Se dice que un fluido posee un índice de viscosidad muy bajo cuando es muy viscoso a bajas temperaturas y muy fluido a altas temperaturas.
  • Un fluido que presente un elevado índice de viscosidad es aquel que prácticamente se mantiene inalterado desde el punto de vista de la viscosidad, sin que prácticamente le afecte la temperatura del fluido.

En los circuitos hidráulicos, los aceites minerales utilizados deben tener un índice de viscosidad no inferior a 75.

Es importante conocer la temperatura mínima a la que un fluido puede circular por un circuito hidráulico.


Imagen 3. wikipedia. Creative Commons
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Resistencia a la oxidación

Los aceites utilizados como fluidos en los circuitos hidráulicos, al ser derivados del petróleo, son oxidables, ya que el oxígeno atmosférico del aire disuelto en el aceite, se combina fácilmente con el carbono y el hidrógeno, dando lugar a productos tanto solubles como insolubles pero en cualquier caso perjudiciales para la vida de los equipos.


En el caso de los productos solubles, se producen reacciones que forman lodos, corroen los conductos e incrementan la viscosidad del fluido. Por su parte los productos insolubles son arrastrados hasta los estrangulamientos del circuito, actuando como abrasivos, favoreciendo el desgaste prematuro, provocando obturaciones y taponamientos.

Con objeto de evitar estos problemas en los circuitos hidráulicos, es necesario el uso de antioxidantes, sobre todo cuando se alcanzan elevadas temperaturas del aceite.

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Régimen laminar

Cuando un fluido circula por un circuito hidráulico, cada una de sus partículas describe una trayectoria lineal bien definidas.  Estas líneas reciben el nombre de trayectorias de flujo o de corriente.

Se dice que el régimen de circulación es laminar cuando la velocidad del fluido no rebasa ciertos límites y como consecuencia el movimiento de las partículas de fluido tiene lugar entre capas paralelas que no se entremezclan, siendo prácticamente paralelas las líneas de flujo a las paredes de los conductos.


Cada una de las trayectorias tiene una velocidad diferente, siendo mayor cuanto más al centro de la conducción se encuentre.

Imagen 4. Recurso propio.

 

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Régimen turbulento

Si la velocidad de circulación del fluido dentro la conducción supera un cierto valor, llamado velocidad crítica, las capas de fluido se entremezclan y las trayectorias se complican, dando lugar a la aparición de remolinos, en este caso se dice que el régimen es turbulento.


Cuanto mayor sea la viscosidad de un fluido menor será su tendencia a mantener regímenes turbulentos.

Imagen 5. Recurso propio.

 

El tipo de flujo dentro de una conducción se puede prever a través un coeficiente llamado número de Reynolds (NR). Este valor se define mediante la siguiente expresión:
Donde:
  • es la densidad del fluido (kg/m3)
  • es la velocidad del fluido (m/s)
  • es el diámetro del conducto (m)
  • es la viscosidad del fluido(N.s/m2)
Los experimentos han demostrado que el flujo será laminar si el número de Reynolds es aproximadamente menor de 2000 y turbulento si sobrepasa los 3000. Entre estos valores el flujo es inestable y puede variar de un tipo de flujo al otro.
Icono de iDevice Ejemplo o ejercicio resuelto

El diámetro de una arteria es 8 mm, siendo la velocidad media de la sangre 0,2 m/s, su viscosidad 2,084 x10-3 Pa.s y su densidad 1,06x103 Kg/m3.

Determinar el número de Reynols en estas condiciones y comprobar si el flujo sanguineo es laminar o turbulento