Un acumulador hidráulico es un depósito de almacenamiento de presión en el que un fluido hidráulico incompresible se mantiene bajo presión que se aplica mediante una fuente externa de energía mecánica . La fuente externa puede ser un motor, un resorte , un peso elevado o un gas comprimido . [nota 1] Un acumulador permite que un sistema hidráulico haga frente a demandas extremas utilizando una bomba menos potente, para responder más rápidamente a una demanda temporal y para suavizar las pulsaciones. Es un tipo de dispositivo de almacenamiento de energía .
Los acumuladores de gas comprimido, también llamados acumuladores hidroneumáticos, son con mucho el tipo más común.
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Los primeros acumuladores para la maquinaria hidráulica de los muelles de William Armstrong eran simples torres de agua elevadas . El agua se bombeaba a un tanque situado en la parte superior de estas torres mediante bombas de vapor. Cuando la maquinaria de los muelles requería energía hidráulica, la carga hidrostática de la altura del agua sobre el suelo proporcionaba la presión necesaria.
Estos acumuladores simples eran extremadamente altos. Por ejemplo, la Torre del Muelle de Grimsby , construida en 1852, tiene 309 pies (94 m) de altura. Debido a su tamaño, eran costosos, por lo que se construyeron durante menos de una década. Casi al mismo tiempo, John Fowler estaba trabajando en la construcción del muelle del ferry en la cercana New Holland, pero no podía utilizar una potencia hidráulica similar porque las malas condiciones del terreno no permitían construir una torre de acumulador alta. Cuando se inauguró Grimsby, ya estaba obsoleto porque Armstrong había desarrollado el acumulador ponderado más complejo, pero mucho más pequeño, para su uso en New Holland. [1] En 1892, la función de la torre original de Grimsby fue reemplazada, por consejo de Fowler, por un acumulador ponderado más pequeño en un muelle adyacente, aunque la torre sigue siendo hasta el día de hoy un punto de referencia conocido.
Otras torres que sobrevivieron incluyen una adyacente a East Float en Birkenhead , Inglaterra, y otra ubicada en Bramley-Moore Dock, Liverpool, Inglaterra. La última torre se renovará como parte de los planes para el desarrollo propuesto del área asociada con la construcción de un nuevo estadio de fútbol para el Everton FC.
Un acumulador de peso elevado consiste en un cilindro vertical que contiene fluido conectado a la línea hidráulica. El cilindro está cerrado por un pistón sobre el cual se colocan una serie de pesos que ejercen una fuerza hacia abajo sobre el pistón y, de ese modo, presurizan el fluido en el cilindro. A diferencia de los acumuladores de gas comprimido y de resorte, este tipo proporciona una presión casi constante, independientemente del volumen de fluido en el cilindro, hasta que este se vacía. (La presión disminuirá un poco a medida que se vacía el cilindro debido a la disminución del peso del fluido restante).
Un ejemplo funcional de este tipo de acumulador se puede encontrar en la sala de máquinas hidráulicas del puerto de Bristol . [2] El acumulador original de 1887 está instalado en su torre, se añadió un acumulador externo en 1954 y este sistema se utilizó hasta 2010 para alimentar las compuertas de la esclusa de Cumberland Basin (Bristol) . El agua se bombea desde el puerto a un tanque colector y luego se alimenta por gravedad a las bombas. La presión de trabajo es de 750 psi (5,2 MPa o 52 bar ) que se utilizó para alimentar las grúas, los puentes y las esclusas del puerto de Bristol . [ cita requerida ]
El mecanismo de funcionamiento original del Tower Bridge de Londres también utilizaba este tipo de acumulador. Aunque ya no se utilizan, dos de los seis acumuladores aún pueden verse in situ en el museo del puente. [3]
El Regent's Canal Dock, ahora llamado Limehouse Basin , tiene los restos de un acumulador hidráulico que data de 1869, un fragmento de la instalación más antigua que queda en el mundo, la segunda en el muelle, que se instaló más tarde que la de Poplar Dock , originalmente catalogada incorrectamente como una caja de señales para el ferrocarril de Londres y Blackwall , cuando se identificó correctamente, fue restaurada como atracción turística por la ahora desaparecida London Docklands Development Corporation . [ aclaración necesaria ] Ahora propiedad de Canal & River Trust , está abierto para grupos grandes con solicitud a la Oficina del capitán del muelle en la cuenca y en las dos tardes del fin de semana de puertas abiertas de Londres , que se celebra el tercer fin de semana de septiembre de cada año. [4]
Londres contaba con un extenso sistema público de energía hidráulica desde mediados del siglo XIX, que cerró definitivamente en la década de 1970 con cinco centrales hidráulicas, operadas por la London Hydraulic Power Company . Los patios de carga y los muelles ferroviarios solían tener su propio sistema independiente. [ cita requerida ]
Una forma sencilla de acumulador es un volumen cerrado, lleno de aire. Una sección vertical de tubería, a menudo de diámetro ampliado, puede ser suficiente y se llena de aire, atrapado a medida que se llena la tubería.
Estos acumuladores normalmente no tienen suficiente capacidad para ser útiles para almacenar energía significativa, ya que no se pueden precargar con gas a alta presión, pero pueden actuar como un amortiguador para absorber las fluctuaciones de presión. Se utilizan para suavizar el suministro de las bombas de pistón. Otro uso es como amortiguador para amortiguar el golpe de ariete ; esta aplicación es una parte integral de la mayoría de las bombas de ariete . La pérdida de aire dará como resultado una pérdida de efectividad. Si se pierde aire con el tiempo, el diseño debe incluir alguna forma de reponer el acumulador.
Un acumulador de gas comprimido consta de un cilindro con dos cámaras separadas por un diafragma elástico, una vejiga totalmente cerrada o un pistón flotante. Una cámara contiene el fluido y está conectada a la línea hidráulica. La otra cámara contiene un gas inerte (normalmente nitrógeno ), normalmente bajo presión, que proporciona la fuerza de compresión sobre el fluido hidráulico. Se utiliza gas inerte porque el oxígeno y el aceite pueden formar una mezcla explosiva cuando se combinan a alta presión. A medida que cambia el volumen del gas comprimido, la presión del gas (y la presión sobre el fluido) cambia inversamente.
En el caso de sistemas de agua a baja presión, el agua suele llenar una vejiga de goma dentro del tanque (en la imagen), lo que evita el contacto con el tanque, que de otro modo debería ser resistente a la corrosión. Las unidades diseñadas para aplicaciones de alta presión, como los sistemas hidráulicos , suelen estar precargadas a una presión muy alta (que se acerca a la presión de funcionamiento del sistema) y están diseñadas para evitar que la vejiga o la membrana se dañen por esta presión interna cuando la presión del sistema es baja. En el caso de los tipos de vejiga, esto generalmente requiere que la vejiga se llene con el gas de modo que cuando la presión del sistema sea cero, la vejiga se expanda por completo en lugar de ser aplastada por la carga de gas. Para evitar que la vejiga se salga del dispositivo cuando la presión del sistema es baja, normalmente hay una placa antiextrusión unida a la vejiga que presiona contra la entrada y la sella, o una placa con resorte en la entrada que se cierra cuando la vejiga presiona contra ella.
Es posible aumentar el volumen de gas del acumulador acoplando una botella de gas al lado de gas del acumulador. Para la misma oscilación de la presión del sistema, esto dará como resultado que se utilice una porción mayor del volumen del acumulador. Si la presión no varía en un rango muy amplio, esta puede ser una forma rentable de reducir el tamaño del acumulador necesario. Si el acumulador no es del tipo de pistón, se debe tener cuidado de que la vejiga o la membrana no se dañen en cualquier situación de sobrepresión esperada; muchos acumuladores de tipo vejiga no pueden tolerar que la vejiga se aplaste bajo presión.
Jean Mercier [5] inventó un acumulador de gas comprimido para su uso en hélices de paso variable .
Un acumulador de tipo resorte funciona de manera similar al acumulador cargado con gas mencionado anteriormente, excepto que se utiliza un resorte (o resortes) pesado para proporcionar la fuerza de compresión. De acuerdo con la ley de Hooke, la magnitud de la fuerza ejercida por un resorte es linealmente proporcional a su cambio de longitud. Por lo tanto, a medida que el resorte se comprime, la fuerza que ejerce sobre el fluido aumenta linealmente.
Los acumuladores de fuelle metálico funcionan de manera similar al tipo de gas comprimido, excepto que el diafragma elástico o pistón flotante se reemplaza por un fuelle metálico soldado herméticamente sellado . El fluido puede ser interno o externo al fuelle. Las ventajas del tipo de fuelle metálico incluyen una tasa de resorte excepcionalmente baja, lo que permite que la carga de gas haga todo el trabajo con poco cambio en la presión de lleno a vacío, una carrera larga que permite un uso eficiente del volumen de la carcasa y el fuelle puede construirse para ser resistente a la sobrepresión que aplastaría un separador de tipo vejiga. El acumulador de fuelle metálico soldado proporciona un nivel excepcionalmente alto de rendimiento del acumulador y puede producirse con un amplio espectro de aleaciones, lo que resulta en una amplia gama de compatibilidad de fluidos. Otras ventajas de este tipo son que no enfrenta problemas con el funcionamiento a alta presión, puede construirse para ser resistente a temperaturas muy altas o bajas o ciertos productos químicos agresivos, y puede durar más en algunas situaciones. Los fuelles metálicos tienden a ser mucho más costosos de producir que otros tipos comunes.
En los sistemas hidráulicos modernos, a menudo móviles, el elemento preferido es un acumulador cargado con gas, pero los sistemas simples pueden estar cargados por resorte. Puede haber más de un acumulador en un sistema. El tipo exacto y la ubicación de cada uno pueden ser un compromiso [ aclaración necesaria ] debido a sus efectos y los costos de fabricación.
Se coloca un acumulador cerca de la bomba con una válvula antirretorno que evita que el flujo regrese a la bomba. En el caso de las bombas de pistón, este acumulador se coloca en la ubicación ideal para absorber las pulsaciones de energía de la bomba de múltiples pistones . [ cita requerida ] También ayuda a proteger el sistema del golpe de ariete . Esto protege los componentes del sistema, en particular las tuberías, de ambas fuerzas potencialmente destructivas.
Un beneficio adicional es la energía adicional que se puede almacenar mientras la bomba está sujeta a una demanda baja. El diseñador puede utilizar una bomba de menor capacidad. Las grandes excursiones de los componentes del sistema, como el tren de aterrizaje de un avión grande, que requieren un volumen considerable de fluido, también pueden beneficiarse de uno o más acumuladores. Estos suelen colocarse cerca de la demanda para ayudar a superar las restricciones y el arrastre de los tramos largos de tuberías. El flujo de salida de energía de un acumulador en descarga es mucho mayor, durante un corto período de tiempo, que el que podrían generar incluso las bombas grandes.
Un acumulador puede mantener la presión en un sistema durante períodos en los que hay pequeñas fugas sin que la bomba se encienda y apague constantemente. Cuando los cambios de temperatura provocan desviaciones de presión, el acumulador ayuda a absorberlas. Su tamaño ayuda a absorber el fluido que, de lo contrario, podría quedar atrapado en un sistema pequeño y fijo sin espacio para la expansión debido a la disposición de las válvulas.
La precarga de gas en un acumulador se configura de manera que la vejiga de separación, el diafragma o el pistón no alcancen ni golpeen ninguno de los extremos del cilindro operativo. La precarga de diseño normalmente garantiza que las piezas móviles no obstruyan los extremos ni bloqueen los conductos de fluido. Un mantenimiento deficiente de la precarga puede destruir un acumulador operativo. Un acumulador diseñado y mantenido adecuadamente debería funcionar sin problemas durante años. [ cita requerida ]
