Hidráulica

Fundamentos hidráulicos: presión, caudal y potencia (con simulador)

34 min de lectura5 problemas resueltos5 ejercicios propuestosQuiz con nota sobre 20👁 – vistas

¡Bienvenidos nuevamente al blog de Welectronic! Empezamos un nuevo bloque de la serie: la hidráulica. Si en neumática el aire se comprime y se "estira" como un resorte, en hidráulica trabajamos con un aceite que prácticamente no se comprime, y eso cambia todo: las fuerzas son enormes con cilindros pequeños, el movimiento es firme y preciso, y a cambio hay que respetar la presión, la limpieza y el calor. Esta publicación es la hoja 19 y abre un grupo de 14 hojas (19 a 32) dedicadas a la hidráulica. Aquí construimos la base que todas las demás van a usar: presión, caudal y potencia. Está pensada como un mini curso: recorremos la ficha punto por punto, corregimos lo que hay que corregir, ampliamos con fórmulas, normas y casos reales de planta, y al final tienes un banco hidráulico interactivo donde mueves la carga, el caudal y la válvula de alivio y ves, en vivo, qué cambia y qué no.

Qué vas a aprender

Como hemos visto en la serie de neumática (compresores, cilindros, válvulas, control de velocidad, circuitos, fugas y mantenimiento), la idea v = Q / A ya nos resulta familiar; aquí aparece sin la complicación de la compresibilidad del aire y con una variable nueva que manda sobre todo lo demás: la presión. Las siguientes hojas de hidráulica (hasta la 32) profundizan en los componentes y circuitos que se apoyan en estos fundamentos.

Mapa visual del tema

Mapa conceptual de los fundamentos hidráulicos con seis ramas: Pascal, presión y carga, caudal y velocidad, potencia, pérdidas y eficiencia, seguridad y aceite
Mapa visual de los fundamentos hidráulicos (diagrama original Welectronic).

Léelo como una cadena: Pascal explica cómo se transmite la fuerza; la carga decide qué presión se genera; el caudal decide con qué velocidad se mueve; presión por caudal es la potencia; y las pérdidas son la parte de esa potencia que no llega a ser trabajo y termina como calor. La seguridad envuelve todo, porque trabajamos con presiones de decenas o cientos de bar.


1. Principio de Pascal

Ficha: principio de Pascal, la presión aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente, con la fórmula F igual p por A y un cilindro hidráulico en corte
Principio de Pascal. Fuente: ficha técnica Welectronic.

1.1 Qué es la presión y en qué unidades se mide

La presión es la fuerza que actúa sobre cada unidad de superficie: p = F / A. Imagina empujar con el dedo una chincheta: la fuerza es pequeña pero el área de la punta también, y la presión es enorme. En hidráulica industrial las presiones habituales van de unos 20 a 350 bar, y existen unidades distintas según el país, el fabricante o el manómetro que tengas delante. Memoriza esta tabla de equivalencias:

UnidadEquivale aDónde la verás
1 Pa (pascal)1 N/m²Fórmulas en unidades SI (F = p·A con A en m²)
1 bar105 Pa = 0,1 MPaManómetros y catálogos de hidráulica
1 MPa10 barNormas y catálogos europeos/japoneses
1 psi0,0689 bar (1 bar ≈ 14,5 psi)Equipos de origen estadounidense
1 kgf/cm²0,981 bar (≈ 1 bar)Manómetros antiguos, planos y manuales viejos

Además hay que distinguir la presión manométrica (la que marca el manómetro, medida respecto a la atmósfera) de la absoluta (manométrica + 1,013 bar). En hidráulica casi siempre hablamos de presión manométrica, y en las fórmulas de fuerza y de potencia es la que se usa.

1.2 El enunciado de Pascal

Blaise Pascal estableció que la presión aplicada a un fluido confinado (encerrado) se transmite sin cambios a todos los puntos del fluido y actúa perpendicularmente sobre todas las paredes que lo contienen. Dos ideas se juntan:

F = p · A (F en N, p en Pa = N/m², A en m²)
En unidades prácticas: F (kN) = p (bar) · A (cm²) / 100

La segunda forma es la que más se usa en campo: un cilindro de émbolo Ø100 mm tiene A = 78,54 cm²; a 160 bar entrega F = 160 · 78,54 / 100 = 125,7 kN (unas 12,8 toneladas fuerza). Con un cilindro del tamaño de un termo.

1.3 El gato hidráulico: multiplicar la fuerza (y pagar con recorrido)

Gato hidráulico con un pistón pequeño de 25 milímetros y uno grande de 100 milímetros: 200 newton producen 3200 newton y por cada 100 milímetros de bajada el pistón grande sube 6,25 milímetros
El gato hidráulico como aplicación directa de Pascal (diagrama original Welectronic).

Dos pistones conectados por un mismo fluido comparten la presión. Con el pistón pequeño de Ø25 mm (A₁ = 4,91 cm²) empujado con F₁ = 200 N: p = F₁ / A₁ = 4,07 bar. Esa misma presión actúa sobre el pistón grande de Ø100 mm (A₂ = 78,54 cm²) y produce F₂ = p · A₂ = 3200 N, el equivalente a levantar unos 326 kg. La ventaja es la relación de áreas: A₂ / A₁ = (100/25)² = 16.

Pero no hay magia: el aceite es casi incompresible, así que el volumen que desplaza el pistón pequeño es el que llena el grande. Para subir el grande 6,25 mm hay que bajar el pequeño 100 mm: ganas fuerza, pierdes recorrido. El trabajo (F · x) es el mismo en ambos lados: 200 N · 0,100 m = 20 J = 3200 N · 0,00625 m. Por eso un gato de taller necesita muchos golpes de palanca, y por eso funcionan las prensas, los frenos de coche (el pedal mueve un pistón pequeño y las pinzas aplican fuerzas altas) y las excavadoras.

1.4 ¿Por qué el aceite y no el aire?

Los líquidos se comprimen muy poco: el aceite mineral tiene un módulo de compresibilidad del orden de 1,4 a 1,7 GPa (valor típico, valida con la ficha de tu aceite), lo que significa que a 100 bar su volumen se reduce aproximadamente un 0,7 %. El aire, en cambio, a 100 bar se reduciría a una centésima parte de su volumen. Consecuencias prácticas: el movimiento hidráulico es rígido (el cilindro se queda donde lo dejas), preciso y transmite la fuerza al instante. La contrapartida es que cualquier burbuja de aire dentro del aceite lo vuelve "esponjoso", y que un golpe de presión no encuentra dónde amortiguarse (de ahí los picos de presión y las válvulas de alivio).

1.5 Cilindro de doble efecto: qué "A" usar

En el cilindro de la ficha, al aplicar presión por el puerto superior el aceite empuja el émbolo; la fuerza de extensión es F = p · A₁ con A₁ = π · D² / 4 (el área del émbolo completo). Al retraer, el aceite entra por el lado del vástago y actúa sobre el área anular A₂ = π · (D² − d²) / 4, menor que A₁. Con Ø100/Ø56 a 160 bar: extensión 125,7 kN y retracción 86,3 kN. Al extender, con el lado del vástago a tanque (presión ≈ 0), la fuerza neta depende solo del área del émbolo; el vástago le quita área únicamente al retraer. Si el lado opuesto tiene contrapresión pB, la fuerza neta baja: F = pA · A₁ − pB · A₂.

Correcciones y precisiones a la ficha: (1) La ficha escribe "A = Área (m²)" sin precisar cuál: es el área efectiva sobre la que actúa la presión neta (A₁ al extender, A₂ al retraer, restando la contrapresión). (2) "La presión se transmite por igual en todo el fluido y sobre todas las superficies" es cierto para un fluido en reposo. En un circuito con caudal aparecen caídas de presión (válvulas, tuberías, filtros) y, por la altura del aceite, unos 0,085 bar por metro de columna (despreciables frente a cientos de bar). Por eso un manómetro junto a la bomba y otro junto al cilindro no marcan lo mismo mientras hay flujo. (3) En el dibujo, la flecha azul larga dentro del vástago sugiere que el interior del vástago está presurizado; en una extensión normal, el lado del vástago está conectado a tanque y su presión es casi cero. (4) La fórmula usa pascales (SI) mientras que el resto de la ficha usa bar; recuerda 1 bar = 105 Pa.

2. Presión y carga

Ficha: la presión responde a la resistencia de la carga, con bomba, válvula direccional, actuador y carga en cadena
Presión y carga. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Esta es la idea que más cuesta asimilar al principio y la que más ayuda a diagnosticar: la bomba no "da presión", da caudal. La presión aparece cuando el caudal encuentra resistencia. Piénsalo así: si abres el grifo con la manguera suelta, el agua sale a presión casi nula; si tapas la salida con el dedo, la presión sube hasta que el dedo cede o la manguera revienta.

2.1 La cadena bomba, válvula, actuador, carga

pcarga = F / A₁ + pfricción (extensión, retorno a tanque)
pbomba = pcarga + Δplíneas y válvulas

El manómetro de la bomba marca la suma de todas las resistencias en serie, como una suma de resistencias en un circuito eléctrico: la carga en el cilindro, más las caídas de presión de las válvulas, mangueras y filtros que el caudal tiene que atravesar.

Tres paneles que muestran el mismo circuito sin carga con 11 bar, con 40 kilonewton con 91 bar y contra tope con 160 bar donde abre la válvula de alivio
La presión sigue a la carga (diagrama original Welectronic; cilindro Ø80/45, Δp 8 bar, alivio 160 bar).

2.2 La válvula de alivio: el techo de seguridad

Una bomba de desplazamiento positivo sigue entregando caudal aunque el cilindro llegue al tope o la carga sea demasiado grande. Sin una salida, la presión subiría hasta romper una manguera, un sello o la propia bomba. Por eso todo circuito de bomba de caudal fijo lleva una válvula de alivio (limitadora de presión) ajustada al máximo permitido del sistema: cuando la presión alcanza el ajuste, la válvula abre y devuelve el caudal al tanque. En el panel C de la figura: carga excesiva (o tope de carrera) → la presión sube al ajuste de 160 bar → el cilindro no avanza → el 100 % del caudal pasa por el alivio. Ese caudal a 160 bar es una enorme cantidad de potencia convertida en calor (lo cuantificaremos en la sección 4).

2.3 Órdenes de magnitud de presión

Rango (referencia)Presión típicaAplicaciones
Bajahasta ≈ 20-50 barLubricación, circuitos de pilotaje, sistemas auxiliares
Media50-160 barMáquinas herramienta, elevadores, compuertas, prensas ligeras
Alta160-350 barMaquinaria móvil, prensas, cizallas, equipos portuarios y de minería
Muy altamás de 350 barHerramientas hidráulicas de enlace, tensado, pruebas

Los límites entre rangos varían según el autor; son una referencia, valida con la presión nominal de tus componentes (bomba, mangueras, cilindros y válvulas tienen cada uno su máximo, y manda el menor).

Correcciones y precisiones a la ficha: (1) El esquema omite el tanque, el filtro y la válvula de alivio, que son parte de cualquier circuito real; sin alivio, "la presión aumenta en función de la resistencia ofrecida" no tiene límite. (2) La flecha que cierra el lazo desde la carga hasta la bomba representa la retroalimentación de la presión (la carga se "siente" en la bomba), no un camino de aceite directo: el aceite regresa a tanque, no a la bomba. (3) "La bomba entrega caudal" es válido para bombas de desplazamiento positivo, el tipo habitual en oleohidráulica; en las bombas centrífugas (agua) caudal y presión se acoplan por la curva de la bomba. (4) Un cilindro no siempre "convierte la energía hidráulica en fuerza": cuando está parado contra una carga estática (sosteniendo un peso) la presión existe pero no hay trabajo ni potencia útil.

3. Caudal y velocidad

Ficha: la velocidad del actuador es v igual Q entre A, a mayor caudal mayor velocidad y a menor caudal menor velocidad
Caudal y velocidad. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Si la presión depende de la carga, ¿qué decide la velocidad? El caudal. Es el mismo razonamiento del balde y la manguera: el volumen de aceite que entra por segundo, dividido entre el área del émbolo, es la velocidad a la que avanza.

v = Q / A (v en m/s, Q en m³/s, A en m²)
Q (m³/s) = Q (L/min) / 60 000

En unidades prácticas: v (mm/s) = 166,7 · Q (L/min) / A (cm²) (por ejemplo, 24 L/min sobre 50,27 cm² dan 79,6 mm/s). Ejemplo: Ø80/Ø45 con 24 L/min reales. A₁ = 50,27 cm²: vext = 24 · 10−3 / 60 / 0,005027 = 79,6 mm/s, y la carrera de 500 mm tarda 6,28 s. Al retraer actúa A₂ = 34,36 cm²: vret = 116,4 mm/s en 4,30 s.

Un cilindro Ø80/45 con 24 litros por minuto se extiende a 79,6 milímetros por segundo y se retrae a 116,4 milímetros por segundo porque el área del lado del vástago es menor
Mismo caudal, distinta velocidad (diagrama original Welectronic).

3.1 Lo que importa de v = Q / A

3.2 Velocidad del aceite en las tuberías

El mismo v = Q / A aplica dentro de mangueras y tubos: la velocidad del aceite se limita para controlar pérdidas, ruido y calor. Valores de referencia usuales: succión 0,5 a 1,5 m/s, presión 3 a 6 m/s (más baja a presiones bajas, hasta ≈ 6 m/s en alta presión) y retorno 1,5 a 3 m/s (valida con tu fabricante). El diámetro interior se despeja:

d (mm) = 4,607 · √( Q (L/min) / v (m/s) )

Para Q = 40 L/min en línea de presión con v = 5 m/s: d = 4,607 · √8 = 13,0 mm de diámetro interior (en la práctica se elige el diámetro normalizado inmediato superior). Una manguera de 3/8" con 9,5 mm de diámetro interior llevando 40 L/min resulta en v = 9,4 m/s, demasiado alta; con 1/2" (12,7 mm) baja a 5,3 m/s.

Correcciones y precisiones a la ficha: (1) Errores de unidades en el recuadro de la fórmula: la ficha dice "Q = Caudal (m²/s)" y "A = Área efectiva del actuador (m³)". Las unidades correctas son Q en m³/s (volumen por segundo) y A en m²; están intercambiadas. (2) Como se vio, "área efectiva" es A₁ al extender y A₂ al retraer, y Q es el caudal real que llega al actuador, no el nominal de la bomba. (3) En el dibujo, las flechas "Mayor caudal / Menor caudal" apuntan en un único sentido; ambos sentidos son válidos, pero conviene recordar que el cilindro avanza más rápido hacia el lado donde el área efectiva es menor (retraer).

4. Potencia hidráulica

Ficha: potencia hidráulica en kW igual presión en bar por caudal en litros por minuto entre 600, y la cadena potencia de entrada mayor que potencia hidráulica igual a potencia útil
Potencia hidráulica. Fuente: ficha técnica Welectronic.

La potencia es la rapidez con la que se hace trabajo: P = F · v. En hidráulica, como F = p · A y v = Q / A, el área se cancela y queda una expresión elegante: P = p · Q. Presión por caudal. Con p en pascales y Q en m³/s el resultado sale en watts; con las unidades de campo aparece el famoso 600:

P (kW) = p (bar) · Q (L/min) / 600

Por qué 600: 1 bar = 105 Pa y 1 L/min = 1/60 000 m³/s ⇒ 1 bar · 1 L/min = 105 / 60 000 = 1,667 W = 1/600 kW. Ejemplo: una bomba que entrega 40 L/min a 160 bar tiene una potencia hidráulica de 160 · 40 / 600 = 10,67 kW.

4.1 Del motor eléctrico al trabajo útil

Barras de potencia: 12,55 kW en el eje, 10,67 kW hidráulicos tras 1,88 kW de pérdidas de bomba y 9,87 kW útiles tras 0,80 kW de pérdida en líneas
Cascada de potencia: entrada, hidráulica y útil (diagrama original Welectronic).

La ficha resume la cadena con tres bloques: potencia de entrada > potencia hidráulica > potencia útil. En cada paso se pierde una parte:

  1. Eje de la bomba (entrada hidráulica): Peje = p · Qteórico / (600 · ηm). Es la potencia mecánica que el motor eléctrico debe entregar; el consumo eléctrico real es aún mayor por el rendimiento del propio motor.
  2. Hidráulica: Phid = p · Qreal / 600, con Qreal = Qteórico · ηv. Es lo que sale de la bomba. La diferencia son las pérdidas internas de la bomba (fuga y rozamiento).
  3. Útil en el actuador: Pútil = F · v. Es lo que llega a mover la carga, tras las caídas de presión en válvulas y tuberías y la fricción del propio cilindro.

Con el ejemplo (40 L/min, 160 bar, rendimiento total de bomba 85 %): Phid = 10,67 kW, Peje = 12,55 kW (motor comercial de 15 kW), y si las válvulas y mangueras consumen 12 bar, la potencia útil baja a 9,87 kW. Todo lo que falta, 2,68 kW, es calor que termina en el aceite.

4.2 Par y potencia en el eje de la bomba

Para una bomba de cilindrada Vg (cm³/rev) y giro n (rpm): Qteórico = Vg · n / 1000 (L/min) y el par necesario T = p (bar) · Vg / (20 · π · ηm) en N·m. La potencia en el eje es T · ω, que coincide con p · Qteórico / (600 · ηm). En redes de 60 Hz como la de Perú, un motor de 4 polos gira a unas 1750 rpm bajo carga (valores nominales, verifica la placa).

Correcciones y precisiones a la ficha: (1) El símbolo "=" de la cadena final es incorrecto: la ficha dibuja "potencia de entrada > potencia hidráulica = potencia útil en el actuador". En un sistema real la potencia útil es menor que la hidráulica disponible (hay caídas de presión en líneas y válvulas, fugas y fricción del cilindro). Debe leerse "entrada > hidráulica > útil"; la igualdad solo vale en el caso ideal. (2) "Potencia de entrada al sistema" puede significar potencia eléctrica o potencia en el eje; conviene precisar cuál (el motor eléctrico añade su propia pérdida). (3) En la fórmula, p es presión manométrica y Q es el caudal real entregado, no el teórico. (4) Con p en bar y Q en L/min el resultado sale directamente en kW; con otras unidades el 600 no vale.

5. Pérdidas y eficiencia

Ficha: pérdidas por fricción, turbulencia, fugas y estrangulamientos, eficiencia como relación entre potencia útil y de entrada, y aceite limpio con filtro
Pérdidas y eficiencia. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Toda la energía que el motor eléctrico entrega y que no se convierte en trabajo útil se transforma en calor. En un sistema hidráulico, las pérdidas se agrupan así:

Tipo de pérdidaDónde ocurreEfectoIndicador
Volumétrica (fugas internas)Bomba, motores, válvulas, cilindrosSale menos caudal del teórico: el cilindro va más lentoηv = Q real / Q teórico
Mecánica (fricción)Bomba, sellos, cojinetesSe necesita más par para la misma presiónηm = par teórico / par real
Hidráulica (caídas de presión)Tuberías, mangueras, codos, filtros, válvulasLa bomba debe trabajar a más presión que la cargaΔp = pbomba − pcarga
Estrangulamiento (control)Reguladoras de caudal, alivio, válvulas proporcionalesPresión "quemada" a propósito para controlar velocidad o limitar presiónΔp · Q / 600
ηtotal = ηv · ηm · ηhid ; ηsistema = Pútil / Pentrada
Gráfico de barras de tres escenarios con la misma bomba: trabajo normal con 78 por ciento de rendimiento, bomba desgastada con 56 por ciento y alivio abierto con 0 por ciento donde toda la entrada es calor
Tres escenarios con la misma bomba: la potencia que no es útil es calor (diagrama original Welectronic; modelo del simulador).

5.1 Del calor al calentamiento del aceite

La potencia perdida se absorbe en el aceite y en las paredes. Si no se extrae (intercambiador de calor, radiación del tanque), la temperatura sube con una rapidez estimada por ΔT/min = Pcalor · 60 / (ρ · c · Vaceite), con ρ · c ≈ 1,6 MJ/(m³·K) (aceite mineral, valor típico). Un tanque de 100 L con 1 kW de pérdidas sube unos 0,37 °C por minuto; con 8,7 kW (alivio abierto del tercer escenario) casi 3,2 °C/min. El aceite caliente se vuelve más fino (baja la viscosidad), la fuga interna crece, el rendimiento cae y la vida del aceite y de los sellos se acorta. Como referencia habitual, la temperatura de trabajo recomendada del aceite mineral está entre 40 y 60 °C, con 70 a 80 °C como límite de alarma (valores de referencia: valida con el fabricante del aceite y de los componentes).

5.2 Rendimientos típicos de las bombas

Tipo de bombaη total típico (referencia)Presión usual
Engranajes externos0,75 - 0,85hasta ≈ 250 bar
Paletas0,70 - 0,85hasta ≈ 175 bar
Pistones axiales0,85 - 0,92hasta 350 bar o más

Estos valores son de referencia genérica, validar con el catálogo del fabricante; en la práctica el rendimiento depende de la presión, la temperatura, la viscosidad y el desgaste.

5.3 Aceite limpio: la mejor "reducción de pérdidas"

Las partículas rayan las holguras de las bombas y las válvulas (del orden de unas pocas micras), y cada rayón es un camino de fuga más: el rendimiento volumétrico baja con el desgaste. La limpieza se especifica con códigos ISO 4406 (tres números que indican la cantidad de partículas de más de 4, 6 y 14 µm por mililitro). Un ejemplo de objetivo típico para hidráulica industrial de media presión es 18/16/13 (a validar con el fabricante del componente más sensible). Además, el aceite debe tener la viscosidad adecuada (grados ISO 3448, por ejemplo ISO VG 46) y estar libre de agua y aire.

Correcciones y precisiones a la ficha: (1) La ficha atribuye a la "buena selección de componentes, mantenimiento y filtración limpia" la reducción de pérdidas. Es cierto, pero conviene precisar: la limpieza no elimina las pérdidas de diseño (un estrangulador convierte presión en calor por principio), sino que evita que crezcan con el desgaste. (2) El dibujo de "pérdidas por estrangulamiento y turbulencia" sugiere que toda restricción es un defecto: las restricciones de control (reguladoras, válvulas proporcionales) son deliberadas; el defecto es la restricción no necesaria (mangueras subdimensionadas, filtros tapados). (3) La eficiencia se define con las potencias, no con las presiones: un sistema que mueve la carga a 20 bar con una bomba ajustada a 200 bar tiene mal rendimiento aunque nada falle.

6. Recomendación técnica y seguridad

Recomendación técnica de la ficha: comprender la función de cada variable, presión desarrolla fuerza, caudal determina velocidad y la potencia convierte esa energía en trabajo útil
Recomendación técnica de la ficha.

La ficha termina con una síntesis que merece quedar en la pared del taller: la presión desarrolla fuerza, el caudal determina la velocidad y la potencia convierte esa energía en trabajo útil. Con un matiz: la carga fija la presión; la presión (por el área) desarrolla la fuerza. Para operar con seguridad:

7. Casos reales de planta

Los siguientes casos son ilustrativos (situaciones típicas de plantas portuarias, de graneles y talleres de mantenimiento, con cálculos de referencia).

Caso 1 · La compuerta de la tolva "se ha vuelto lenta" sin que nadie tocó nada

Síntoma: el cilindro Ø80/45 de una compuerta, con 500 mm de carrera, antes extendía en 6,3 s y ahora tarda 9,4 s; la fuerza todavía alcanza. Análisis: v = Q / A: el área no cambió y la carga sigue venciéndose, así que el que bajó es el caudal que llega al cilindro: v = 500 mm / 9,4 s = 53,2 mm/s ⇒ Q = v · A / 166,7 = 53,2 · 50,27 / 166,7 = 16,0 L/min frente a 24 L/min de antes. Con una bomba de 25 L/min teóricos, el rendimiento volumétrico pasó de 96 % a 64 %. Diagnóstico: bomba con desgaste interno (fugas), o alivio que gotea al límite. La pista: la lentitud empeora cuando el aceite está caliente (menor viscosidad, más fuga), el cuerpo de la bomba está más caliente de lo normal y hay más ruido. Acción: medir caudal con un caudalímetro, comprobar el caudal del drenaje de la bomba, revisar el alivio y la limpieza del aceite (análisis de partículas ISO 4406) antes de cambiar nada.

Caso 2 · El aceite de la prensa sube de temperatura en espera

Síntoma: una prensa con bomba de 60 L/min y alivio a 180 bar mantiene el circuito "listo" con la bomba en marcha continua y la válvula direccional centrada con el alivio sobre el ajuste. El tanque de 300 L llega a 75 °C. Cálculo: si toda la bomba fluye por el alivio a 180 bar: P = 180 · 60 / 600 = 18 kW de calor continuo, es decir 2,2 °C/min en el tanque sin enfriador. Solución: usar una descarga de la bomba a baja presión en espera (electroválvula de descarga o centro abierto): a 5 bar la potencia disipada baja a 0,5 kW. Otras opciones son una bomba con compensación de presión o un cambio de arquitectura. Es la aplicación directa de P = p · Q / 600.

Caso 3 · Dimensionar la bomba y el motor de una prensa de 30 t

Datos: fuerza 30 t (≈ 294,2 kN), cilindro Ø160, velocidad de prensado 20 mm/s, η total de bomba supuesto 0,85. Cálculo: A = 201,06 cm² ⇒ p = F / A = 146,3 bar (alivio a 160-175 bar); Q = A · v = 24,1 L/min; Phid = 5,88 kW; Peje = 6,92 kW ⇒ motor comercial de 7,5 kW (con margen). Sin cálculo se corre el riesgo de comprar una bomba sobredimensionada con un alivio permanentemente caliente, o una subdimensionada que no llega a la velocidad.

Caso 4 · Manguera de 3/8" que "silba" y calienta

Síntoma: la línea de presión del grupo (40 L/min) vibra, silba y la manguera se calienta al tacto. Análisis: v = Q / A en la manguera: con 9,5 mm de diámetro interior la velocidad del aceite es 9,4 m/s, muy superior a los 4-6 m/s recomendados; la caída de presión crece rápidamente con la velocidad y la energía perdida se vuelve calor. Solución: pasar a 1/2" (12,7 mm de diámetro interior): v = 5,3 m/s. Este caso conecta caudal, velocidad, pérdidas y calor, y se diagnostica sin herramientas especiales.

8. Errores comunes que conviene evitar

9. Resumen rápido (cheat-sheet)

ConceptoFórmula o regla
Presiónp = F / A ; 1 bar = 105 Pa = 0,1 MPa ≈ 14,5 psi
Fuerza de un cilindroF (kN) = p (bar) · A (cm²) / 100
ÁreasA₁ = π D² / 4 ; A₂ = π (D² − d²) / 4
Gato hidráulicoF₂ = F₁ · A₂ / A₁ ; x₂ = x₁ · A₁ / A₂ ; F₁x₁ = F₂x₂
Presión de cargap = F / A₁ + pfricción (retorno a tanque)
Velocidadv = Q / A (Q real, A según el sentido)
Conversión de caudal1 L/min = 1/60 000 m³/s
Potencia hidráulicaP (kW) = p (bar) · Q (L/min) / 600
Potencia en el ejePeje = Phid / ηtotal
BombaQ = Vg · n · ηv / 1000 ; T = p Vg / (20 π ηm)
Calor y calentamientoPcalor = Peje − Pútil ; ΔT/min = Pcalor · 60 / (ρ c V)
Diámetro de línead (mm) = 4,607 √(Q / v)
Regla de oroLa carga fija la presión; el caudal fija la velocidad; presión × caudal = potencia

Glosario breve

Normas y datos a validar

10. Banco hidráulico: simulador de presión, caudal y potencia

El simulador reúne la hoja en un solo lugar. Una bomba de caudal fijo con válvula de alivio alimenta un cilindro que empuja una carga; el manómetro, las líneas coloreadas por presión, el caudal animado y las barras de potencia reaccionan a lo que muevas. Qué probar:

Qué hace el modelo: cada fase se resuelve con las fórmulas de esta hoja: pcarga = F/A₁ + 3 bar de fricción de sellos; pbomba = pcarga + Δp; si supera el ajuste del alivio, el cilindro se detiene y todo el caudal pasa por el alivio; Q real = Qteórico · ηv, con ηv = 1 − (0,0004 + 0,003·desgaste)·p; ηm = 0,92; calor = Peje − F·v; el calentamiento supone un tanque sin enfriador ni disipación (peor caso). Los resultados se comprobaron contra un cálculo independiente en Python. Es un modelo didáctico en régimen estático por fase (sin dinámica de presión ni compresibilidad); para dimensionar usa los datos del fabricante.

✅ 5 Problemas Resueltos

Problema 1: Un gato hidráulico tiene un pistón pequeño de Ø25 mm y uno grande de Ø100 mm. Se empuja el pequeño con 200 N a lo largo de 100 mm. Calcula la presión del fluido, la fuerza en el pistón grande y cuánto sube.
Solución:
A₁ = π·25²/4 = 4,91 cm², A₂ = π·100²/4 = 78,54 cm²
p = F₁ / A₁ = 200 / 0,000491 = 4,07×105 Pa = 4,07 bar
F₂ = p · A₂ = 3200 N (relación A₂/A₁ = 16)
x₂ = x₁ / 16 = 6,25 mm
Comprobación de energía: 200 N · 0,1 m = 20 J = 3200 N · 0,00625 m = 20 J.
Problema 2: Un cilindro Ø100/Ø56 trabaja a 160 bar con el lado opuesto a tanque. Calcula la fuerza al extender y al retraer.
Solución:
A₁ = π·100²/4 = 78,54 cm²; A₂ = π·(100² − 56²)/4 = 53,91 cm²
Fext = p · A₁ = 160×105 · 0,007854 = 125,7 kN
Fret = p · A₂ = 160×105 · 0,005391 = 86,3 kN
La retracción entrega 69 % de la fuerza de extensión, porque el vástago le quita área.
Problema 3: Un cilindro Ø80/Ø45 recibe 24 L/min reales. Calcula la velocidad y el tiempo de una carrera de 500 mm al extender y al retraer.
Solución:
Q = 24 L/min = 4×10−4 m³/s ; A₁ = 50,27 cm² ; A₂ = 34,36 cm²
vext = Q/A₁ = 4×10−4 / 0,005027 = 79,6 mm/s → t = 0,5 / 0,0796 = 6,28 s
vret = Q/A₂ = 116,4 mm/s → t = 4,30 s
El retorno es 46 % más rápido (relación de áreas 1,46).
Problema 4: Una bomba entrega 40 L/min a 160 bar con un rendimiento total de 0,85. Calcula la potencia hidráulica, la potencia en el eje, el motor comercial necesario (valores normalizados 11, 15, 18,5 kW) y el calor generado en la bomba.
Solución:
Phid = p·Q/600 = 160 · 40 / 600 = 10,67 kW
Peje = Phid / η = 10,67 / 0,85 = 12,55 kW → motor de 15 kW (el de 11 kW no alcanza)
Calor en la bomba = Peje − Phid = 1,88 kW
Problema 5: Una bomba de 22 cm³/rev gira a 1750 rpm con ηv = 0,94 y ηm = 0,92, trabajando a 180 bar. Calcula el caudal teórico y real, el par, la potencia en el eje y el rendimiento total.
Solución:
Qteór = V·n/1000 = 22 · 1750 / 1000 = 38,5 L/min ; Qreal = 38,5 · 0,94 = 36,19 L/min
T = p·V / (20π·ηm) = 180 · 22 / (62,83 · 0,92) = 68,5 N·m
Peje = T·ω = 68,5 · (2π·1750/60) = 12,55 kW (coincide con p·Qteór/(600·ηm))
Phid = 180 · 36,19 / 600 = 10,86 kW ⇒ ηtotal = 10,86/12,55 = 0,865 (= 0,94 · 0,92)

🏋️ 5 Ejercicios Propuestos

Ejercicio 1: Un manómetro marca 250 bar. Exprésalo en MPa, en psi y en kgf/cm². ¿Cuántos bar son 3000 psi?
250 bar = 25 MPa (1 MPa = 10 bar)
250 · 14,5038 = 3626 psi
250 · 1,01972 = 254,9 kgf/cm²
3000 psi / 14,5038 = 206,8 bar
Ejercicio 2: Un cilindro Ø80 debe levantar una carga de 8 t (con el lado del vástago a tanque). Si añades un 5 % de fricción, ¿qué presión necesitas? ¿Y sin fricción?
W = 8000 · 9,80665 = 78,45 kN
Sin fricción: p = W / A₁ = 78,45×10³ / 0,005027 = 156,1 bar
Con 5 %: F = 82,38 kN ⇒ p = 163,9 bar
Si el alivio está a 160 bar, esta carga no se levanta.
Ejercicio 3: ¿Qué caudal real necesita un Ø63 para extenderse a 0,15 m/s? ¿Cuánto tarda en recorrer 400 mm?
A₁ = π·63²/4 = 31,17 cm²
Q = A·v = 0,003117 · 0,15 = 4,676×10−4 m³/s = 28,06 L/min
t = 0,4 / 0,15 = 2,67 s
Ejercicio 4: Una bomba de 30 L/min queda con todo el caudal por el alivio a 140 bar. ¿Cuánto calor genera? Si el tanque tiene 120 L sin enfriador, ¿cuánto sube la temperatura por minuto y en cuántos minutos sube 30 °C? (ρ·c = 1,615 MJ/(m³·K))
P = p·Q/600 = 140 · 30 / 600 = 7,0 kW
ΔT/min = 7000 · 60 / (1,615×106 · 0,12) = 2,17 °C/min
t = 30 / 2,17 = 13,8 min (sin disipación al ambiente, peor caso)
Ejercicio 5: Una bomba con η total 0,85 alimenta un circuito donde la bomba trabaja a 150 bar y la carga a 138 bar; el cilindro tiene un rendimiento mecánico de 0,95. ¿Cuál es el rendimiento del sistema? ¿Qué potencia en el eje se necesita para tener 8 kW útiles?
ηlínea = 138 / 150 = 0,92
ηsistema = 0,85 · 0,92 · 0,95 = 0,743 ≈ 74 %
Peje = 8 / 0,743 = 10,77 kW
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