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, responda más rápidamente a una demanda temporal y suavice las pulsaciones. Es un tipo de dispositivo de almacenamiento de energía .
Los acumuladores de gas comprimido, también llamados acumuladores hidroneumáticos, son con diferencia el tipo más común.
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Los primeros acumuladores para la maquinaria hidráulica del muelle de William Armstrong fueron simples torres de agua elevadas . El agua se bombeaba a un tanque en la cima de estas torres mediante bombas de vapor. Cuando la maquinaria del muelle requería energía hidráulica, la cabeza hidrostática de la altura del agua sobre el suelo proporcionaba la presión necesaria.
Estos simples acumuladores eran extremadamente altos. Por ejemplo, Grimsby Dock Tower , construida en 1852, mide 94 m (309 pies) de altura. Debido a su tamaño, eran costosos y, por lo tanto, tardaron menos de una década en construirse. 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 acumuladores alta. Cuando se inauguró Grimsby, ya estaba obsoleto, ya que Armstrong había desarrollado el acumulador ponderado más complejo, pero mucho más pequeño, para su uso en New Holland. [1] En 1892, la función original de la torre Grimsby fue reemplazada, por consejo de Fowler, por un acumulador pesado más pequeño en un muelle adyacente, aunque la torre sigue siendo hasta el día de hoy como un hito muy conocido.
Otras torres supervivientes incluyen una adyacente a East Float en Birkenhead , Inglaterra, y otra ubicada en Bramley-Moore Dock, Liverpool, Inglaterra. Esta 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 consta de 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 así 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 líquido en el cilindro, hasta que se vacía. (La presión disminuirá un poco a medida que se vacía el cilindro debido a la disminución del peso del líquido restante).
Un ejemplo práctico de este tipo de acumulador se puede encontrar en la casa de motores hidráulicos 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 las esclusas 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 utilizaba para impulsar las grúas, puentes y esclusas del puerto de Bristol . [ cita necesaria ]
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 todavía se pueden ver in situ en el museo del puente. [3]
Regent's Canal Dock, ahora llamado Limehouse Basin, tiene los restos de un acumulador hidráulico, que data de 1869, un fragmento de la instalación de este tipo 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 caja de señales para el Ferrocarril de Londres y Blackwall , cuando se identificó correctamente, fue restaurado como atracción turística por la ahora desaparecida London Docklands Development Corporation . [ se necesita aclaración ] Ahora propiedad de Canal & River Trust , está abierto para grupos grandes previa solicitud en la oficina del Dockmaster en la cuenca y las dos tardes del fin de semana de puertas abiertas de Londres , que se lleva a cabo el tercer fin de semana de septiembre de cada año. [4]
Londres contó con un extenso sistema público de energía hidráulica desde mediados del siglo XIX, cerrándose finalmente en la década de 1970 con 5 centrales hidráulicas, operadas por la London Hydraulic Power Company . Los depósitos de mercancías y los muelles ferroviarios a menudo tenían su propio sistema independiente. [ cita necesaria ]
Una forma simple de acumulador es un volumen cerrado lleno de aire. Una sección vertical de tubería, a menudo de mayor diámetro, puede ser suficiente y se llena de aire, que queda atrapado a medida que se llena la tubería.
Estos acumuladores normalmente no tienen suficiente capacidad para ser útiles para almacenar una cantidad significativa de energía, ya que no pueden precargarse 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 resultará en una pérdida de efectividad; si se pierde aire con el tiempo, el diseño debe incluir alguna forma de renovarlo.
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.
Para el uso del sistema de agua de baja presión, el agua generalmente llena una vejiga de goma dentro del tanque (en la imagen), evitando el contacto con el tanque que de otro modo tendría que ser resistente a la corrosión. Las unidades diseñadas para aplicaciones de alta presión, como sistemas hidráulicos , generalmente están precargadas a una presión muy alta (acercándose a la presión de funcionamiento del sistema) y están diseñadas para evitar que esta presión interna dañe la vejiga o la membrana cuando la presión del sistema es baja. Para los tipos de vejiga, esto generalmente requiere que la vejiga se llene con gas de modo que cuando la presión del sistema sea cero, la vejiga se expanda completamente en lugar de ser aplastada por la carga de gas. Para evitar que la vejiga sea forzada a salir del dispositivo cuando la presión del sistema es baja, generalmente hay una placa antiextrusión unida a la vejiga que presiona y sella la entrada, o una placa con resorte en la entrada que se cierra cuando la presión del sistema es baja. la vejiga presiona contra él.
Es posible aumentar el volumen de gas del acumulador acoplando una botella de gas al lado de gas del acumulador. Para la misma variación en 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 pistón, se debe tener cuidado de que la vejiga o la membrana no se dañen en cualquier situación de sobrepresión esperada; muchos acumuladores del tipo vejiga no pueden tolerar que la vejiga sea aplastada bajo presión.
Jean Mercier [5] inventó un acumulador de gas comprimido para su uso en hélices de paso variable .
Un acumulador tipo resorte tiene un funcionamiento similar al acumulador cargado de gas anterior, excepto que se utiliza un resorte (o resortes) pesado para proporcionar la fuerza de compresión. Según 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 a los 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, que permite que la carga de gas haga todo el trabajo con poco cambio de presión de lleno a vacío, una carrera larga que permite el uso eficiente del volumen de la carcasa y la posibilidad de construir los fuelles. ser resistente a una sobrepresión que aplastaría un separador de tipo vejiga. El acumulador de fuelle metálico soldado proporciona un nivel excepcionalmente alto de rendimiento del acumulador y se puede producir con un amplio espectro de aleaciones, lo que da como resultado una amplia gama de compatibilidad de fluidos. Otras ventajas de este tipo son que no enfrenta problemas con el funcionamiento a alta presión, puede estar diseñado para ser resistente a temperaturas muy altas o bajas o ciertos químicos agresivos y puede ser más duradero 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 de gas, pero los sistemas simples pueden tener un resorte. Puede haber más de un acumulador en un sistema. El tipo exacto y la ubicación de cada uno pueden ser un compromiso [ se necesita aclaración ] debido a sus efectos y los costos de fabricación.
Se coloca un acumulador cerca de la bomba con una válvula antirretorno que impide el flujo de regreso a la bomba. En el caso de las bombas de tipo pistón este acumulador está colocado en el lugar ideal para absorber las pulsaciones de energía de la bomba multipistón . [ cita requerida ] También ayuda a proteger el sistema del golpe de fluido . Esto protege los componentes del sistema, especialmente las tuberías, de ambas fuerzas potencialmente destructivas.
Un beneficio adicional es la energía adicional que se puede almacenar mientras la bomba está sujeta a baja demanda. 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 de gran tamaño, que requieren un volumen considerable de fluido, también pueden beneficiarse de uno o más acumuladores. A menudo se colocan cerca de la demanda para ayudar a superar las restricciones y el arrastre de largos tramos de tuberías. La salida de energía de un acumulador en descarga es mucho mayor, durante un breve periodo de tiempo, que la que podrían generar incluso bombas grandes.
Un acumulador puede mantener la presión en un sistema durante períodos en los que hay fugas leves sin que la bomba se encienda y apague constantemente. Cuando los cambios de temperatura provocan variaciones de presión, el acumulador ayuda a absorberlas. Su tamaño ayuda a absorber el fluido que de otro modo podría quedar atrapado en un pequeño sistema fijo sin espacio para la expansión debido a la disposición de las válvulas.
La precarga de gas en un acumulador se ajusta de manera que la vejiga separadora, la membrana o el pistón no alcancen ni golpeen ninguno de los extremos del cilindro de operación. La precarga de diseño normalmente garantiza que las piezas móviles no ensucien los extremos ni bloqueen los conductos de fluido. Un mantenimiento deficiente de la precarga puede destruir un acumulador en funcionamiento. Un acumulador diseñado y mantenido adecuadamente debería funcionar sin problemas durante años. [ cita necesaria ]
