Fundamentos y Componentes Hidráulicos UNIDAD XII ACUMULADORES HIDRÁULICOS 1. INTRODUCCIÓN Lo mismo que una bomba hid
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Fundamentos y Componentes Hidráulicos
UNIDAD XII
ACUMULADORES HIDRÁULICOS
1.
INTRODUCCIÓN Lo mismo que una bomba hidráulica, un acumulador puede hacer el papel de un generador de energía. Entonces va asociado a una bomba volumétrica. Pero no es ésta su única posibilidad. En
efecto, este componente permite también: Reducir la potencia instalada. Eliminar o reducir considerablemente los efectos de los golpes de ariete. Amortiguar los choques. Absorber las pulsaciones. Compensar las fugas de un circuito. Actuar como fuente auxiliar de emergencia. Asegurar el engrase a presión. Compensar los efectos de las dilataciones térmicas, etc.
La figura 14.1 muestra la representación simbólica de los acumuladores. El acumulador, como aparato de seguridad, tiene un lugar en todas las instalaciones hidráulicas modernas. Teniendo en cuenta la escasa compresibilidad de los líquidos, la concepción de absorción de los acumuladores se basa frecuentemente y casi siempre en la elasticidad artificial, provocada por resortes o por gas.
Figura 14.1 Hidroneumáticos
2.
DIFERENTES TIPOS DE ACUMULADORES Existen diferentes tipos de acumuladores; sin embargo, es importante fijar una diferencia fundamental en su principio de recuperación. Algunos acumuladores se denominan de «presión constante», mientras que otros son de «presión variable».
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2.1.
ACUMULADORES DE PRESIÓN CONSTANTE A esta denominación responden los acumuladores de pesa. 2.1.1.
ACUMULADOR DE PESA Este tipo de acumulador es el más antiguo. Está constituido por un cilindro, cuyo vástago o pistón buzo lleva uno o varios contrapesos (Fig. 14.2). Se comprende que la acción de este acumulador va unida a la superficie receptora del pistón, a la posibilidad de carrera del vástago y al valor del o de los contrapesos. Su reacción se forma por el efecto de la gravedad. Este acumulador es voluminoso y corre el riesgo de crear sobrepresiones peligrosas, cuando la velocidad alternativa es elevada. Es interesante en "los casos de velocidades muy pequeñas de desplazamiento (chimenea de equilibrado de los embalses). Entonces sus elementos están construidos de hormigón.
Figura 14.2 Acumulador de pesa
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2.2.
ACUMULADORES DE PRESION VARIABLE En la categoría de los acumuladores de presión variable se encuentran: Los acumuladores de resorte, así como la multitud de aparatos de gas disponibles en el mercado, ya sean de pistón flotante, de membrana, de cámara elástica o incluso de contacto directo, es decir sin separador entre el aceite y el nitrógeno. El contacto directo tiene como consecuencia el provocar la absorción del gas por el líquido, lo que obliga a recargar frecuentemente con nitrógeno. .Por dicho motivo, esta solución ya no tiene apenas actualidad. Observemos que el gas utilizado para cargar los acumuladores es el nitrógeno, ya que su constitución química: Elimina todo riesgo de combustión y de explosión. No tiene ningún efecto sobre el neopreno, que forma generalmente las membranas, las cámaras elásticas y las juntas de estanqueidad. El gas inerte que es el nitrógeno ha reemplazado al aire, empleado durante mucho tiempo, pero que fue abandonado después de graves accidentes provocados por las explosiones. En efecto, el aire a presión da origen a peróxidos inestables, susceptibles de descomponerse bajo el efecto de los choques o de las elevaciones localizadas de temperatura.
Figura 14.3 Acumulador de resorte clásico
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Figura 14.4 Acumulador de resortes regulables
A. ACUMULADOR DE RESORTE Este acumulador está constituido por un cilindro en el que puede moverse un pistón, sometido a la acción de uno o de varios resortes antagónicos (Fig. 14.3). Las características de un acumulador de este tipo pueden modificarse, jugando con el número de resortes, su longitud, la sección del alambre que los constituye, el diámetro del pistón receptor, etc. Algunos acumuladores de este tipo pueden ser regulados (entre ciertos márgenes) mediante tuercas que actúan sobre el tensado del o de los resortes (Fig. 14.4). Estos acumuladores pueden utilizarse en los casos muy concretos, en los que el volumen de desplazamiento del fluido es muy pequeño y las presiones relativamente bajas. Se les encuentra frecuentemente haciendo el oficio de temporizadores en las cajas de velocidades automáticas o semi-automáticas, inversión del sentido de marcha, etc. En las aplicaciones con caudal y presión elevados, estos acumuladores presentan el inconveniente mayor de ser muy voluminosos. Además, la inercia debida a la masa del pistón hace que su empleo no resulte conveniente en los sistemas en los que la respuesta debe ser rápida.
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B. ACUMULADORES DE GAS Estos acumuladores se denominan hidroneumáticos. Entre los más corrientes encontramos: Los acumuladores de pistón flotante. Los acumuladores de membrana. Los acumuladores de cámara elástica o de bolas. C. ACUMULADOR DE PISTÓN FLOTANTE O LIBRE Este acumulador se presenta bajo la forma de un cilindro desprovisto de vástago. En otras palabras, el pistón es flotante o libre, en el interior de un cuerpo de cilindro torneado en acero, de donde proviene su nombre. El pistón separa aquí al gas del líquido (Fig. 14.5). Este acumulador parece presentar una cierta lentitud de reacción, por causa de la inercia debida a la masa del pistón y al rozamiento de las juntas. Pueden utilizarse hasta presiones cercanas a 200 bar. En todo caso no es necesario exagerar en cuanto a la inercia del pistón y al rozamiento provocado por las juntas. A este respecto, las pruebas realizadas por Etna, uno de los fabricantes más conocidos en este tipo de aparatos, dan por resultado: Un acumulador de 2,4 litros, cuyo pistón tiene una masa de 0,92 kg y una sección de 30 cm2, permite comunicar a este último una aceleración de 326 m/s2 para una diferencia de presión de 1 bar. La energía cinética del aceite es más de 100 veces superior a la del pistón. Obsérvese que los pistones son frecuentemente de aleación ligera y por tanto de un peso mínimo, a fin de que la inercia de las masas sea lo más pequeña posible. Después de soltar las juntas, mediante una diferencia de presión del orden de 1 bar, el rozamiento resulta muy pequeño. Aunque estos aparatos pueden trabajar en todas las posiciones, es preferible hacerlos funcionar verticalmente, con la salida dirigida hacia abajo, a fin de evitar los depósitos de partículas sobre el pistón, que son una fuente de destrucción de las juntas. Mal adaptados a las absorciones de vibraciones, su utilización es, por el contrario, excelente para las altas presiones y temperaturas elevadas. La capacidad de estos acumuladores es pequeña.
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Figura 14.5 Acumulador de pistón
D. ACUMULADOR DE MEMBRANA Este acumulador está constituido generalmente por dos casquillos semiesféricos, atornillado uno dentro del otro. Entre estos dos casquillos se coloca la membrana o elemento separador entre el aceite y el gas. Un tope colocado en la base de la membrana en elastómero evita la extrusión de ésta en el orificio de alimentación durante la descarga rápida del aparato (Fig. 14.6). La esfera constituida por estas dos partes presenta la ventaja de resistir mejor a la presión que un cilindro o que cualquier otra forma: de volumen con peso igual. Este acumulador tiene una respuesta muy rápida y su rendimiento es satisfactorio; en efecto, el elemento separador sólo presenta muy poca inercia. Mencionemos que este acumulador puede trabajar en todas las posiciones con idéntico rendimiento.
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Figura 14.6 Acumulador esférico de membrana. A la izquierda, acumulador cargado con nitrógeno: no existe acción del aceite
E. ACUMULADOR DE BOLSA O DE CÁMARA ELÁSTICA En su concepción, este tipo de acumulador se basa en una patente francesa, conseguida por Jean Mercier, Ingeniero de Arts et Manufactures. En grandes rasgos, un acumulador de cámara está constituido por (Fig. 14.7): Un cuerpo cilíndrico; Monobloc, de acero forjado para los aparatos de alta presión (hasta 550 bar); En acero soldado para los acumuladores de baja presión (presión igual o inferior a una veintena de bar).
Figura 14.7 Acumulador de cara elástica, licencia mercier-greer. A) Cámara elástica hinchada con nitrógeno; no existe aceite en el cuerpo; B) El acumulador se carga con aceite (compresión del nitrógeno); C) Fase de descarga del aceite. 1. Racor de recarga de nitrógeno. 2. Cuerpo del acumulador (acero forjado). 3. Cámara elástica que lleva incorporada la válvula de hinchado. 4. Válvula anti-extrusión de la cámara elástica. 5. Boca de alimentación y de retorno.
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El interior del cuerpo está chorreado con granalla y por lo tanto presenta rugosidades, para evitar la adherencia de la cámara sobre la superficie interna del cuerpo. Una cámara elástica de concepción original ligeramente troncocónica, que lleva una válvula de hinchado incorporada. Una boca, dotada entre otros de una válvula anti-extrusión de la cámara para los modelos de alta presión, o bien, de un filtro de aspiración para los aparatos de baja presión. Frecuentemente se coloca un bloque de seguridad entre la boca del aparato y la tubería de alimentación y de retorno. En este bloque están reagrupados los órganos auxiliares necesarios para el funcionamiento correcto de una instalación hidráulica equipada con acumuladores. La constitución de estos bloques varía según las necesidades (Fig. 14.8). En general llevan: Una llave de vástago esférico (cuarto de vuelta), que permite aislar al acumulador del circuito de potencia. Una llave de esfera, que asegura la descompresión del circuito del «acumulador». Una válvula de limitación de presión (regulada para la presión de utilización máxima del acumulador). Una toma manométrica.
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Figura 14.8 Bloque de descompresión y de aislamiento
Algunos bloques de seguridad llevan además estos órganos: Un electro-distribuidor 2/2 de compuerta (a causa de las fugas), que permite la descompresión del circuito al ponerse en tensión un solenoide; Una válvula anti-retorno. Téngase en cuenta que la carga de nitrógeno, o más exactamente la presión del gas, debe determinarse en función de una multitud de parámetros. Con este objeto, muy especialmente en la aplicación como antiariete (la más delicada) se aconseja encarecidamente recurrir a la experiencia de los especialistas cualificados, que ponen a disposición de los usuarios las firmas fabricantes o distribuidoras de acumuladores.
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3.
ALGUNOS EJEMPLOS DE APLICACIONES DE LOS ACUMULADORES No se trata de hacer aquí análisis completo de todas las posibilidades de los acumuladores. En verdad son raras las instalaciones en las que no se demuestra que es útil la presencia de un tal componente. a)
Acumulación de energía como sistema de seguridad En algunas instalaciones, la parada ocasional del sistema térmico, o bien un corte de la corriente de alimentación al motor eléctrico, pueden ser perjudiciales para la continuidad de la operación en curso, o bien peligrosas en el plano de la seguridad. No se trata de acumular aquí una cantidad de energía considerable, sino únicamente de permitir uno o dos ciclos de los órganos receptores (cilindro o motor) (Fig. 14.9). Las figuras 14.10 y 14.11 muestran dos instalaciones de acumulación de energía que se encuentran frecuentemente en las aplicaciones más diversas. En la figura 14.10, acumulación por bomba manual de un acumulador destinado a la alimentación de un puente elevador, por ejemplo. En la figura 14.11, sistema con doble seguridad: alimentación del acumulador por bomba hidráulica, accionada por motor eléctrico y bomba hidráulica a mano, en caso de corte del fluido eléctrico. Aplicación posible: arranque de un motor térmico de gran cilindrada, realizado al nivel del motor hidráulico.
Figura 14.9 Acumulador de energía. El acumulador se utiliza en este caso para acumulación de energía de emergencia (poca capacidad)
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Figura 14.10 Acumulador de energía, para un puente elevador. Obsérvese el sistema de estrangulador regulable para el retroceso del cilindro. La acción sobre este estrangulador va en función de la masa aplicada sobre el cilindro, lo que implica la regularización de la velocidad del descenso
Figura 14.11 Acumulación de energía. Doble auxilio. Por ejemplo, puesta en funcionamiento de un motor térmico, por mediación de un motor hidráulico y, naturalmente, de un acumulador
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b) Reducción de la potencia instalada Los acumuladores, o más exactamente una o varias baterías de acumuladores, se utilizan con frecuencia para la acumulación de energía, a fin de obtener potencias considerables de restitución durante pocos segundos. Con este objeto, una bomba de poca capacidad, que por 10 tanto necesita una potencia de mantenimiento muy pequeña, puede emplearse durante un tiempo determinado para cebar una batería de acumuladores. Cuando está cargada esta batería es posible solicitar la restitución de la energía almacenada en un plazo muy corto: de aquí se deriva la multiplicación de la potencia. Existen instalaciones (Fig. 14.12) de este tipo que pueden alcanzar potencias de restitución del orden de 9000 CV (6600 kW). Cuando se necesitan semejantes potencias, incluso instantáneas, se concibe fácilmente la economía resultante con una instalación de este tipo. Supongamos que esta potencia indispensable sea proporcionada por un motor térmico; ¡imaginemos por un instante sus dimensiones geométricas, su masa y su coste!
Figura 14.12 Reducción de la potencia instalada. Con una bomba de poca capacidad es posible obtener por acumulación potencias instantáneas considerables
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c)
Reducción del tiempo de trabajo Cuando es poco el esfuerzo al nivel de un cilindro, por ejemplo en una carrera de aproximación, interesa aumentar la rapidez del ciclo y acelerar la carrera en vacío. El dibujo de la figura 14.13 demuestra que un acumulador puede intervenir en la realización de un ciclo de vaciado acelerado.
d) Absorción de las pulsaciones de la bomba hidráulica No es cuestión de exagerar el efecto de las pulsaciones en las instalaciones corrientes. Sin embargo, existe la posibilidad de que algunos tipos de bombas emitan pulsaciones desagradables, en función de ciertas aplicaciones atribuidas al receptor (motor o cilindro). El montaje representado en la figura 14.14 absorbe las irregularidades de caudal de una bomba (movimiento pulsatorio). e)
Absorción de los golpes de ariete Un acumulador no suprime los golpes de ariete, sino que sencillamente impide sus efectos nocivos, absorbiendo sus ondas de choque (Fig. 14.15). Si no se eliminan estas ondas, producen una cascada de fenómenos, que con frecuencia son perfectamente audibles.
Figura 14.13 Reducción del tiempo. Aquí el caudal del acumulador se suma al de las dos bombas (1) y (2). La descarga
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Cuando se detiene bruscamente la masa de un líquido en movimiento, la energía cinética del fluido se transforma en un primer tiempo en un aumento de la presión, luego aparece una onda de depresión, seguida de una onda de presión y así sucesivamente. Estos diferentes tiempos se basan en fenómenos oscilatorios. A título indicativo diremos que la velocidad de propagación de una onda es sensiblemente igual a la del sonido en un líquido, es decir del orden de 900 m/s.
Figura 14.14 Montaje como anti-pulsación. En esta aplicación, el acumulador debe colocarse muy exactamente en la prolongación de la bomba (sin ningún codo)
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Figura 14.15 Absorción de los golpes de ariete. Estos dibujos ilustran los fenómenos que se producen durante el cierre brutal de una válvula. Arriba, estos fenómenos repercuten sobre la canalización, de donde se deriva una fatiga excesiva. Abajo, son absorbidos por el acumulador
Los fenómenos oscilatorios de muy corta duración, que no pueden ser detectados siempre por un manómetro, debido a la inercia de las piezas mecánicas que lo constituyen, son la causa de las roturas de las tuberías. Tales incidentes «frecuentes», atribuidos con excesiva facilidad a la «fatiga», pueden ser evitados empleando uno o varios acumuladores bien situados. 4.
PRECAUCIONES PARTICULARES RELATIVAS A LOS ACUMULADORES
Al recibir el aparato, es decir, antes de su colocación, comprobar que el acumulador no ha sufrido daños durante el transporte. Verificar si el aparato suministrado está de acuerdo con el pedido. No realizar ningún mecanizado sobre un acumulador: no se olvide nunca que un acumulador constituye una verdadera bomba. Atención al almacenamiento de las cámaras elásticas (almacenamiento frecuentemente inútil, teniendo en cuenta su larga duración de vida).
Sin embargo, si es preciso poseer una reserva de estas piezas, será necesario: Conservarlas en sitio fresco. Colocarlas al abrigo de la luz. Suspenderlas por la válvula de hinchado, después de haberlas cargado «excepcionalmente» con aire (sin presión). En principio, la salida de un acumulador debe estar frenada (estrangulador), con objeto de evitar una aceleración demasiado brusca de la velocidad de
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paso del fluido, cuando se produzca una disminución sensible de la resistencia al nivel del o de los receptores (motores o cilindros). Cuando el circuito comprenda, entre otros, uno o varios acumuladores y una o varias servo-válvulas, es indispensable colocar un filtro «de presión» en la salida del acumulador. En la práctica, y muy especialmente para los acumuladores de cámara elástica, los cuerpos de estos aparatos no están mecanizados (recordemos que para evitar la adherencia de la cámara sobre la periferia interna del cuerpo). Antes de realizar cualquier intervención sobre el acumulador proceder a su descarga total de aceite (una de las finalidades del bloque de seguridad).
Muy importante Para los aparatos en funcionamiento es recargar el elemento separador únicamente con nitrógeno (no se utilice jamás el aire y sobre todo el oxígeno), el acumulador de membrana es el único que está en condiciones de trabajar en todas las posiciones; el acumulador de cámara, igual que los otros acumuladores hidroneumáticos, debe tener su salida dirigida hacia abajo. Su posición extrema sería la horizontal.
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