Hydraulic_Efficiency_TT3

Boletim Técnico

Eficiência Hidráulica

Volumetric EfficiencyηVE Mechanical Efficiency ηMech

Eficiência Volumétrica Eficiência

O mundo atual, competitivo e globalizado, motiva os fabricantes a obter o máximo de seus equipamentos. Até mesmo pequenos aumentos na produtividade dos equipamentos podem significar a diferença entre ganhos e perdas. Além disso, as preocupações ambientais exigem que o enfoque seja mantido sob as práticas de negócios sustentáveis e sistemas com eficiência energética.

Em resposta a isso, os sistemas hidráulicos dos equipamentos industriais e móveis tornaram-se menores e mais leves e utilizam pressões mais altas para atingir a máxima eficiência do sistema.

Agora, fluidos hidráulicos avançados estão disponíveis para satisfazer as demandas destes sistemas, bem como para contribuir com a eficiência global do sistema e da energia.

Efici

ência

Faixa de Operação Ótima

ncia

ânica

ηTE

CH

Glob

al η

OV

Viscosidade Baixa Eficiência Volumétrica Boas propriedades para partidas no frio Espessura de película pobre

Eficiência Hidráulica: Teoria

Eficiê

Mec

ηVE

Grandes Perdas por Atrito Mais propriedades para partidas a frio Boa espessura de película

Overall Efficiency ηOV

Perda Volumétrica Os sistemas hidráulicos convertem a energia mecânica que recebem de um motor elétrico ou de combustão interna em fluxo e pressão, que podem realizar uma quantidade específica de trabalho.

As bombas hidráulicas convertem a energia mecânica do mecanismo que as move em fluxo fluido. A pressão é gerada pelas restrições enfrentadas por este fluxo no sistema. Infelizmente, a bomba hidráulica não pode ser 100% eficiente nesta conversão de energia. Uma bomba hidráulica típica é somente 80 a 90% eficiente neste processo. A energia se perde de duas maneiras: • Perdas mecânicas – energia que se perde por atrito fluido.

• Perdas volumétricas – energia perdida como resultado de fugas internas do fluido na bomba.

Eficiência Volumétrica: Todas as bombas possuem rotas de fugas internas • Bomba de pistões axiais – o óleo sai através das folgas entre o cilindro e o pistão CILINDROS EIXO ROTATIVO

ENTRADA E SAÍDA PISTÕES

PLACA INCLINADA

Eficiência Mecânica: • A energia é consumida para fazer girar a bomba e superar as perdas do atrito fluido

Bomba Hidráulica A quantidade de perdas volumétricas e mecânicas em uma bomba ocorre, principalmente, em função da viscosidade e propriedades de lubrificação do fluido. Isso pode ser visto no gráfico acima.

As perdas mecânicas são maiores quando a viscosidade do fluido é alta, e as perdas volumétricas são maiores quando a viscosidade do fluido é baixa. Vendo estas duas curvas no gráfico, podemos estabelecer uma faixa de viscosidades para a ótima eficiência. Pelo fato da viscosidade do fluido hidráulico ser alta em temperaturas baixas e diminuir à medida que a temperatura do fluido sobe, manter-se dentro desta faixa de operação ótima não é fácil. Os fluidos hidráulicos especialmente formulados podem reduzir a magnitude destas perdas utilizando um alto I.V. (índice de viscosidade) para manter a viscosidade do fluido na faixa ótima, através de uma ampla faixa de temperaturas operacionais. Aumentar a pressão do sistema também reduz a eficiência da bomba hidráulica.

Geralmente, as pressões mais altas levam tanto a perdas mecânicas maiores (há maiores cargas sobre a bomba), quanto a maiores perdas volumétricas (maiores pressões aumentam a quantidade de vazamentos internos).

Além dos benefícios da eficiência hidráulica de manter a viscosidade do fluido hidráulico na faixa ótima, podemos obter ganhos adicionais na eficiência mediante a seleção de bons óleos básicos e tecnologia de aditivos para reduzir o atrito: resistência natural do fluido ao cisalhamento sob as condições de Lubrificação Elasto Hidrodinâmica (EHL).

A Teoria na Prática: As diferenças na eficiência hidráulica podem ser quantificadas através da comparação dos fluidos, em um circuito hidráulico simples.

O circuito contém uma bomba hidráulica e a pressão do sistema é controlada sobre uma faixa especificada. A energia mecânica inserida no sistema e o fluxo da bomba podem então ser medidos e utilizados para calcular a eficiência mecânica e volumétrica dos diferentes fluidos.

O gráfico a seguir mostra esses dados comparativos entre um fluido hidráulico antidesgaste ISO VG 46 típico e um fluido de testes de alto IV formulado especialmente. O fluido de testes apresenta um aumento entre 3% e 6% na eficiência hidráulica neste teste. Observe que na medida em que a temperatura e a pressão aumentam, o benefício de eficiência do fluido de teste também aumenta.

Resultados Gerais de Eficiência

6

6.4

5

80 ºC

4.0

250 Bar (3600 psi)

0

4.9

200 Bar (2900 psi)

1

3.9

250 Bar (3600 psi)

2

3.5

200 Bar (2900 psi)

3

4.5

150 Bar (2175 psi)

4

150 Bar (2175 psi)

% de melhoria do rendimento

7

100 ºC

Eficiência – Mobil DTE 10 Excel Isso mostra o impacto que a fórmula e as características físicas do fluido podem ter sobre a eficiência hidráulica global. Porém, a eficiência hidráulica não é uma meta final por si só. Esta eficiência adicional de bombeamento pode se transformar em economias de energia, medida através do consumo de combustível ou eletricidade ou pelas diminuições do tempo para completar um ciclo de trabalho em um equipamento movido hidraulicamente.

Eficiência hidráulica = Melhorias na Produtividade Um bom exemplo para demonstrar o impacto da eficiência hidráulica sobre o consumo de energia e o tempo de ciclo é uma escavadeira. Impulsionada por um motor a diesel, uma escavadeira utiliza sistemas hidráulicos de alta pressão para operar o braço para girar a máquina e deslocá-la através da área de trabalho. As pressões no sistema hidráulico podem alcançar 4.000 psig (275 Bar) e as temperaturas geralmente se aproximam dos 100 ºC.

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Uma demonstração com uma escavadeira de tamanho médio foi organizada, para comparar um fluido típico SAE 10W, frequentemente utilizado em aplicações de equipamentos móveis, com um fluido hidráulico elaborado especificamente para otimizar a eficiência hidráulica. Para os fins desta demonstração, somente um operador foi utilizado e somente um lote de combustível para operar a escavadeira em uma sequência de movimentos determinados previamente. Nesta demonstração, a aplicação do fluido hidráulico eficiente resultou em até 6% de redução no consumo de combustível por ciclo e uma redução de até 5% no tempo para concluir cada ciclo de trabalho. O operador da máquina também observou que a capacidade de resposta do sistema melhorou imediatamente após a adição do fluido testado.

Os resultados demonstram claramente o impacto do aumento da eficiência hidráulica: redução do consumo de combustível ou aumento na produtividade. O uso deste fluido hidráulico especialmente elaborado, durante um ano inteiro em uma escavadeira de tamanho médio, reduziria o uso de combustível em 3.400 litros e as emissões de CO² em 9 toneladas.

Existem oportunidades semelhantes de melhorias da eficiência energética nas aplicações hidráulicas industriais. Um exemplo importante é a moldagem por injeção de plástico, que se caracteriza por temperaturas e pressões relativamente altas, grande consumo de energia, ciclos repetidos, etc. O uso de fluidos hidráulicos eficientes na injeção de plástico demonstrou economias de energia de até 10% em comparação a um fluido hidráulico típico, em testes controlados.

Conclusão Aplicar os conhecimentos sobre como a eficiência hidráulica pode ser melhorada através da seleção do fluido hidráulico apropriado pode aumentar a linha básica. Utilizar um fluido hidráulico bem formulado pode reduzir as perdas de eficiência nos sistemas hidráulicos, gerando economias de energia e aumentos da produtividade.

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