Design de um Reservatório Hidráulico
Aprenda os requisitos para desenvolvimento de um reservatório hidráulico para seu sistema ou equipamento
Por Gustavo Marinho | 30 de Junho de 2022
Os reservatórios hidráulicos têm como função primária e mais básica armazenar o fluido hidráulico requerido para o funcionamento do sistema.
Contudo, eles possuem também outras funções, tais como, condicionar o fluido, permitindo que ambos os contaminantes se assentem e bolhas de ar e espuma subam à superfície e se dissipem, podem atuar como trocadores de calor para resfriar ou aquecer o fluido, dependendo da temperatura do fluido e da temperatura ambiente. E finalmente, também podem fornecer uma superfície de montagem para componentes do sistema.
Sumário
Quando um cilindro se estende, o fornecimento da bomba para a extremidade do bore do cilindro reduzirá o volume de fluido no reservatório. Cilindros de ação simples reduzem a quantidade de fluido no reservatório pelo volume relacionado ao pistão estendido. Cilindros de dupla ação abaixam apenas o volume da haste do cilindro porque o volume da extremidade da haste (da área anular) é retornado.
Os atuadores tipo “Gavetas de dupla ação” e os cilindros telescópicos atuariam de forma similar que os cilindros de ação simples ao esgotar o fluido do reservatório porque o lado da haste do volume do pistão é pequeno em comparação com a extremidade do bore. Os motores hidráulicos não diminuem a quantidade de fluido no reservatório porque todo o fluido que entra em um motor é devolvido pela exaustão do motor.
Os reservatórios devem ser dimensionados para reter fluido suficiente para suprir o volume exigido pelos cilindros, atuadores e quaisquer acumuladores presentes no circuito.
A expansão térmica também é um fator no dimensionamento de um reservatório. Ao utilizar o volume diferencial dos cilindros como critério de dimensionamento primário, também é necessário incluir um cálculo para a expansão potencial do fluido.
Para fluido à base de petróleo, haveria uma mudança de volume de cerca de 4% para cada mudança de 50°C (90°F) na temperatura do óleo. Em equipamentos móveis, geralmente há uma grande diferença de temperatura entre a partida e a operação. Um reservatório cujo projeto não prevê efeitos térmicos pode transbordar quando o fluido aquece ou, quando o fluido esfria, permite a formação de um vórtice que arejaria a bomba.
Uma vez determinado o volume diferencial total dos cilindros e acumuladores, o efeito antecipado da expansão térmica, juntamente com qualquer fluido adicional a ser usado para condicionamento, o volume de um reservatório retangular pode ser calculado a partir do produto de seu comprimento, largura, e medidas de altura usando a equação abaixo.
Limitações do Reservatório para Condicionamento de Fluido
Em muitos casos, os reservatórios que serão usados como parte do sistema de condicionamento de fluidos terão certas características.
Como regra geral, temos que leva cerca de 2 minutos para que as partículas se assentem e as bolhas de ar se desloquem para a superfície quando o fluido está em repouso. Isso levou à prática de dimensionar um reservatório para reter de 2 a 4 vezes a vazão média da bomba; a ideia é que o fluido retornando ao tanque teria 2 a 4 minutos para descansar e desistir de sua contaminação, antes de ser direcionado de volta para a bomba. Espera-se que uma certa quantidade de calor seja removida do sistema também.
Uma vantagem da hidráulica é que o calor gerado por ineficiências pode ser levado pelo fluido para um local de onde possa ser removido. O reservatório é um tipo de dissipador de calor usado para armazenar e ajudar a remover esse calor. O material do qual um reservatório é feito tem um impacto na taxa de troca de calor.
A capacidade de calor específico (SH – Specific Heat) é a capacidade relativa de uma substância para absorver energia térmica. Os fluidos hidráulicos têm um SH relativamente alto, o que significa que são bons em absorver o calor da ineficiência. No entanto, isso também significa que eles são pobres em liberar o calor uma vez que está no reservatório.
A Condutividade Térmica (TC – Thermal Conductivity) do material do reservatório, bem como a área de superfície em contato com o fluido, determinam a eficácia da troca de calor. TC é a capacidade relativa de uma substância de permitir que a energia térmica flua através dela. Os quatro materiais de construção comuns para reservatórios são aço inoxidável, aço carbono, alumínio e plástico. Destes, o alumínio tem o melhor TC, o segundo é o aço carbono, o terceiro o aço inoxidável e o último o plástico. O TC do alumínio é 4,8 vezes maior que o TC do aço carbono, enquanto o aço inoxidável possui apenas 0,38 vezes o do aço carbono. Um reservatório de plástico tem TC mínimo.
Os cálculos para determinar a capacidade de resfriamento de um reservatório são baseados na área de superfície exposta do reservatório na altura do fluido. Se o reservatório não for levantado da base de suporte, o fundo do reservatório não está incluído. Se o reservatório for elevado 150 mm (6 pol.) ou mais, a superfície inferior também será considerada.
A capacidade de um reservatório para funcionar como trocador de calor é limitada, especialmente para hidráulica móbil, onde o espaço é limitado e há uma ampla variação em condições ambientais. Um trocador de calor instalado no circuito ou em um sistema de filtragem off-line pode ser adicionado para maximizar a eficiência da remoção de calor.
O super dimensionamento de um trocador de calor pode resultar em uma redução de eficiência de resfriamento, de modo que a capacidade de resfriamento do reservatório deve ser calculada primeiro em piores condições ambientais (diferencial de temperatura mínima). Para calcular a capacidade de resfriamento de um reservatório, use as seguintes fórmulas:
Existem limitações práticas para a capacidade do reservatório para realizar essas funções de condicionamento de fluido. Um reservatório projetado desta forma pode permitir que as partículas se aglomerem na superfície do fluido se as partículas forem de maior densidade do que o fluido hidráulico. No entanto, as partículas normalmente formam um lodo que se instala na parte inferior do reservatório.
A maioria das empresas não possui um programa de manutenção programado que inclui drenagem e limpeza do reservatório e é difícil determinar apenas quando essa manutenção deve ocorrer. O lodo então continua sendo um risco potencial em que algum momento ao se utilizar o sistema, o fluido pode desalojar esse material em repouso e fazer com que seja atraído para a entrada da bomba comprometendo assim severamente a qualidade do fluído, dos componentes e, portanto, do funcionamento da máquina ou sistema em questão.
O fluido em retorno pode escoar quase que diretamente para a entrada da bomba sem misturar com o fluido estático já existente no reservatório e isso é um ponto importante á se considerar. Isso limita a remoção de partículas, ar e calor. Um reservatório que possui dimensionamento de 2 a 4 vezes da vazão média de saída da bomba exigirá mais espaço, terá mais peso e adicionará o custo de fluido adicional excessivo no sistema.
Existem várias abordagens para lidar com a remoção de ar. Um difusor de fluxo pode ser adicionado na linha de retorno dentro do reservatório. Estes são projetados para desacelerar o fluido e deixar as bolhas escaparem.
A velocidade do fluido deve ser reduzida a menos de 1 pé/segundo [ft/s]. Um sistema de remoção de ar pode ser instalado na linha de retorno. Este dispositivo usa a velocidade do fluido retornando para criar um vórtice que separa o ar do fluxo. Uma tela pode ser colocada dentro do reservatório que irá capturar bolhas de ar pequenas e permitir que eles se conectem com outras bolhas até que sejam grandes o suficiente para flutuar para a superfície.
Filtros de linha e trocadores de calor, todos os quais podem ser incorporados em um sistema de filtragem off-line (Kidney Loop), são projetados especificamente para fornecer essas funções. Um sistema de condicionamento de fluido bem projetado pode não precisar depender do reservatório para controle de contaminação.
Se o requisito de condicionamento do fluido for removido do projeto do reservatório e dada aos componentes especificamente projetados para essa finalidade, a função do reservatório pode ser simplesmente para armazenar o volume necessário de fluido para o correto funcionamento do sistema.
O reservatório retangular comum é um dispositivo passivo que usa um volume proporcionalmente grande para condicionar o fluido. Novos projetos são menores e alguns condicionam dinamicamente o fluido usando o movimento de fluxo de giro do fluido retornando para criar um vórtice que remove o ar e separa as partículas para remoção eficiente por um sistema de filtragem offline.
Requisitos de um Reservatório Adequadamente Projetado
O reservatório hidráulico contém o fluido com a energia vital do seu sistema. Dito isto, você projetista, necessita entender que as considerações de projeto são críticas para a saúde e eficiência do seu sistema ou maquinário.
O objetivo principal do reservatório é armazenar fluido suficiente em reserva para suprir os volumes diferenciais que podem ser causados pelo movimento dos cilindros de dupla ação e pelo efeito da expansão térmica. Além disso, o reservatório pode ser solicitado a fazer parte do sistema de condicionamento de fluidos, incluindo remoção de partículas, remoção de ar e resfriamento.
Em todos os casos existem alguns requisitos mínimos importantes para um reservatório. Deve haver a capacidade de o nível do fluido expandir e retrair. Isso pode ser alcançado usando um respiro que permite que o ar escape enquanto o nível do fluido está subindo no reservatório e o ar entra enquanto o nível do fluido está caindo. O respiro também é um filtro que reduz os contaminantes que podem ser ingeridos no sistema.
Alguns respiradores também são capazes de reduzir a quantidade de umidade que entra. A remoção de umidade também pode ser realizada usando um respiro que é vedado e pode expandir ou contrair com o nível do fluido. Isso cria um reservatório pressurizado, mantém os contaminantes afastados e fornece uma pressão positiva para a entrada da bomba. Alguns reservatórios são vedados colocando-se uma bolsa expansível no compartimento do reservatório.
Toda a tubulação para o reservatório precisa estar abaixo do nível mínimo de fluido. As linhas de sucção abaixo do nível do fluido precisam ser inclinadas para baixo para eliminar o perigo de criar um vórtice de fluido no óleo que vai para a bomba. O vórtice puxaria ar para dentro da bomba, danificando o equipamento e fazendo muito barulho.
As linhas de retorno precisam entrar no reservatório bem abaixo do nível do fluido e também ser inclinadas de forma a evitar que o fluido seja puxado diretamente para a linha de sucção. As linhas de drenagem também precisam se estender abaixo da linha de fluido para evitar que o ar entre no fluido e para evitar a formação de espuma do fluido.
Se o reservatório estiver sendo usado para auxiliar no controle de contaminação, ele deve conter fluido suficiente para permitir vários minutos de tempo de repouso quiescente para permitir que as partículas se assentem e o ar seja liberado. O reservatório deve ser defletor para evitar que o fluxo de retorno seja puxado diretamente para a linha de sucção. O defletor deve ser disposto de modo que ajude na liberação de contaminação. O defletor não deve permitir que bolsas de fluido simplesmente girem dentro do reservatório e não sejam trocadas.
Dica de Design: Estudos indicam que alguns reservatórios, embora dimensionados para o tempo de permanência adequado, trocam apenas 20% do fluido enquanto os outros 80% permanecem turbilhonando no reservatório.
Se o reservatório também se destina a funcionar como trocador de calor, várias coisas devem ser consideradas. A área de superfície vertical abaixo do nível do fluido precisa ser maximizada. Um reservatório longo, alto e fino dissipará o calor melhor do que um tanque em forma de cubo.
A capacidade de transferir calor é um fator importante na seleção do material do qual o reservatório é feito. Muitos reservatórios em equipamentos móveis são feitos de plástico, o que reduz o peso, mas demonstra ser muito pobre na transferência de calor. O aço inoxidável não é tão bom quanto o aço carbono, e o alumínio é muito melhor do que qualquer um deles. Escolher o material certo pode fazer a diferença entre precisar ou não de um trocador de calor separado.
Considerações acerca de dimensionamento e formato de um reservatório
Existem três modelos básicos de formato de reservatórios padrão comumente usados hoje:
Joint Industry Conference (JIC): um tanque horizontal com extensões que mantêm o tanque a pelo menos 6 polegadas do chão. Este design aumenta a área de transferência de calor da parte inferior, bem como da parte superior e das laterais. A principal desvantagem dessa configuração é que a bomba deve criar vácuo suficiente para elevar e acelerar o fluido na entrada da bomba.
Em forma de L: um tanque vertical montado em um lado de uma base ampla onde a bomba e o motor são montados. Este design fornece uma grande área de superfície para resfriamento. Além disso, ter o nível de fluido no tanque mais alto que a entrada da bomba fornece uma altura de sucção positiva. A base também é elevada 6 polegadas do chão. Este design é muito superior a ter a bomba no topo e pode prolongar a vida útil de qualquer tipo de bomba.
Montagem sobre Cabeça (ou Overhead): um tanque horizontal montado em um rack acima da bomba e do motor. A disposição vertical do reservatório conserva o espaço do piso e oferece acesso mais fácil ao reservatório para manutenção. Esse vem sendo o mais utilizado pelos projetistas.
Permitir a dissipação de calor é a principal razão para projetar o fundo do tanque fora do chão. É também por isso que é importante não interromper o fluxo de ar livre ao redor do tanque. Um tanque grande é sempre desejável para promover o resfriamento enquanto permite a separação de contaminantes.
Dica de Design: A regra geral para reservatórios “hidráulicos” é que o tanque deve ter 2x a 4x a vazão da bomba por minuto. Assim, uma vazão de 240 L/min indicaria um tanque de 720 litros (se ficarmos com o valor mediano de 3x). Em seguida, adicione 10%-20% para o espaço aéreo acima do óleo (e considerações acerca de dissipação de calor) e isso faz com que 800 litros.
O raciocínio por trás dessa regra prática é que o óleo precisa de tempo para desaerar enquanto descansa no tanque e três minutos são considerados suficientes. Um dos aditivos de óleo hidráulico é colocado especificamente para acelerar a desaeração. Também é o caso de um óleo muito frio ou de alta viscosidade levar mais tempo para desaerar (as bolhas sobem mais rápido na cerveja do que no mel). Você pode acelerar o tempo de desaeração tendo um tanque raso e/ou fazendo o óleo de retorno passar por um defletor ou barragem antes que ele possa voltar para a entrada da bomba.
O redemoinho ou turbilhão de fluido pode afetar a cabeça de sucção positiva líquida necessária (NPSHR) pela bomba e a cabeça de sucção positiva líquida disponível (NPSHA) no reservatório. Quando o NPSHA e o NPSHR são iguais, a cavitação ocorrerá.
Para evitar a cavitação, você deve ter um conhecimento básico de NPSHA e NPSHR:
NPSHA: uma medida de quão próximo o fluido em um determinado ponto está da ebulição e, em seguida, da cavitação.
NPSHR: o valor de carga em um ponto específico necessário para evitar a cavitação do fluido.
A cavitação é a formação de cavidades de vapor (bolhas ou vazios) em um líquido. Isso ocorre quando um líquido é submetido a uma mudança de pressão que provoca a formação dessas bolhas onde a pressão é relativamente baixa. Quando as bolhas são submetidas a uma pressão maior, elas implodem e geram uma onda de choque intensa, causando alta vibração e danos mecânicos.
Considerações Acerca da Troca de Calor em um Reservatório
Calor é gerado em um sistema sempre que há uma queda de pressão e nenhum trabalho mecânico foi realizado. Use esta fórmula para verificar a capacidade de dissipação de calor de um tanque e garantir que seja suficiente para resfriar o óleo.
Dissipação de Calor – HD = 0,001 x (T1 – T2) x A
Onde:
T1 = máx. temperatura do fluido permitida (em °F)
T2 = máx. temperatura do ar ambiente (em °F)
A = área do tanque em contato com o fluido (em pés2)
A tabela mostra a capacidade de irradiação de calor, em cavalos de potência, de reservatórios de óleo hidráulico de aço comercial com um diâmetro de 6 pol. espaço embaixo e circulação de ar livre na parte superior e em todos os lados.
Conforme explanada até aqui, o reservatório faz muito mais do que apenas fornecer um local para colocar fluido. Um reservatório bem projetado dissipa o calor, dá tempo para que a contaminação saia do fluido e permite que as bolhas de ar cheguem à superfície e se dissipem, ao mesmo tempo em que fornece uma pressão de sucção positiva para a bomba.
Dica de Design: As recomendações de projeto de reservatório hidráulico e as normas NFPA/T3.16.2 e ISO 4413:2010 são documentos essenciais ao projetar uma nova unidade hidráulica por exemplo.
Este post tem 2 comentários
Muito bom conteúdo parabéns a todos gratidão.
Parabéns, excelente documento técnico