Acumulador hidráulico - Hydraulic accumulator
Um acumulador hidráulico é um reservatório de armazenamento de pressão no qual um fluido hidráulico incompressível é mantido sob pressão aplicada por uma fonte externa de energia mecânica . A fonte externa pode ser um motor, uma mola , um peso elevado ou um gás comprimido . Um acumulador permite que um sistema hidráulico lide com extremos de demanda usando uma bomba menos potente, para responder mais rapidamente a uma demanda temporária e para suavizar as pulsações. É um tipo de dispositivo de armazenamento de energia .
Os acumuladores de gás comprimido, também chamados de acumuladores hidropneumáticos, são de longe o tipo mais comum.
Tipos de acumuladores
Torres
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Os primeiros acumuladores para as docas hidráulicas de William Armstrong eram simples torres de água elevadas . A água era bombeada para um tanque no topo dessas torres por bombas a vapor. Quando o maquinário da doca exigia energia hidráulica, a carga hidrostática da altura da água acima do solo fornecia a pressão necessária.
Esses acumuladores simples eram extremamente altos. Por exemplo, a Grimsby Dock Tower , construída em 1852, tem 309 pés (94 m) de altura. Devido ao seu tamanho, eram caros e, portanto, foram construídos por menos de uma década. Por volta da mesma época, John Fowler estava trabalhando na construção do cais da balsa na vizinha New Holland, mas não podia usar energia hidráulica semelhante, pois as más condições do solo não permitiam a construção de uma torre acumuladora alta. Na época em que Grimsby foi inaugurado, ele já estava obsoleto, pois Armstrong havia desenvolvido o acumulador de peso mais complexo, mas muito menor, para uso na New Holland. Em 1892, a função da torre Grimsby original foi substituída, a conselho de Fowler, por um acumulador de peso menor em uma doca adjacente, embora a torre permaneça até hoje como um marco conhecido.
Outras torres sobreviventes incluem uma adjacente a East Float em Birkenhead , Inglaterra, e outra localizada em Bramley-Moore Dock, Liverpool, Inglaterra. A última torre será reformada como parte dos planos para o desenvolvimento proposto da área associada à construção de um novo estádio de futebol para o Everton FC
Peso elevado
Um acumulador de peso elevado consiste em um cilindro vertical contendo fluido conectado à linha hidráulica. O cilindro é fechado por um pistão no qual uma série de pesos são colocados que exercem uma força para baixo no pistão e, assim, pressuriza o fluido no cilindro. Ao contrário do gás comprimido e dos acumuladores de mola, este tipo fornece uma pressão quase constante, independentemente do volume de fluido no cilindro, até que esteja vazio. (A pressão diminuirá um pouco conforme o cilindro é esvaziado devido ao declínio no peso do fluido restante.)
Um exemplo funcional desse tipo de acumulador pode ser encontrado na casa de máquinas hidráulicas, Bristol Harbor . O acumulador original de 1887 está instalado em sua torre, um acumulador externo foi adicionado em 1954 e esse sistema foi usado até 2010 para alimentar os portões de bloqueio da Bacia de Cumberland (Bristol) . A água é bombeada do porto para um tanque coletor e, em seguida, alimentada por gravidade nas bombas. A pressão de trabalho é de 750 psi (5,2 MPa , ou 52 bar ), que foi usada para alimentar os guindastes, pontes e eclusas do porto de Bristol .
O mecanismo de operação original da Tower Bridge , em Londres , também usava esse tipo de acumulador. Embora não estejam mais em uso, dois dos seis acumuladores ainda podem ser vistos in situ no museu da ponte.
Regent's Canal Dock, agora denominado Limehouse Basin, tem os restos de um acumulador hidráulico, datado de 1869, um fragmento da mais antiga instalação desse tipo no mundo, o segundo no cais, que foi instalado depois do Poplar Dock , originalmente listado incorretamente como uma caixa de sinalização para a London and Blackwall Railway , quando corretamente identificada, foi restaurada como uma atração turística pela agora extinta London Docklands Development Corporation . Agora de propriedade do Canal & River Trust , está aberto para grandes grupos mediante solicitação ao Dockmaster's Office na bacia e nas duas tardes do London Open House Weekend , realizado no terceiro fim de semana de setembro de cada ano.
Londres teve um extenso sistema público de energia hidráulica a partir de meados do século XIX, fechando finalmente na década de 1970 com 5 usinas hidráulicas, operadas pela London Hydraulic Power Company . Os pátios e docas de mercadorias ferroviárias costumavam ter seu próprio sistema separado.
Acumulador cheio de ar
Uma forma simples de acumulador é um volume fechado, cheio de ar. Uma seção vertical do tubo, geralmente de diâmetro alargado, pode ser suficiente e se encher de ar, preso à medida que a tubulação se enche.
Esses acumuladores normalmente não têm capacidade suficiente para serem úteis no armazenamento de energia significativa, uma vez que não podem ser pré-carregados com gás de alta pressão, mas podem atuar como um amortecedor para absorver as flutuações de pressão. Eles são usados para suavizar o fluxo das bombas de pistão. Outro uso é como amortecedor para amortecer o golpe de aríete ; esta aplicação é parte integrante da maioria das bombas de aríete . A perda de ar resultará em perda de eficácia; se o ar for perdido com o tempo, o projeto deve incluir alguma forma de renová-lo.
Acumulador fechado de gás comprimido (ou carregado com gás)
Um acumulador de gás comprimido consiste em um cilindro com duas câmaras separadas por um diafragma elástico, uma bexiga totalmente fechada ou um pistão flutuante. Uma câmara contém o fluido e é conectada à linha hidráulica. A outra câmara contém um gás inerte (normalmente nitrogênio ), geralmente sob pressão, que fornece a força compressiva no fluido hidráulico. O gás inerte é usado porque o oxigênio e o óleo podem formar uma mistura explosiva quando combinados sob alta pressão. Conforme o volume do gás comprimido muda, a pressão do gás (e a pressão no fluido) muda inversamente.
Para usar o sistema de água de baixa pressão, a água geralmente enche uma bexiga de borracha dentro do tanque (foto), evitando o contato com o tanque que, de outra forma, precisaria ser resistente à corrosão. As unidades projetadas para aplicações de alta pressão, como sistemas hidráulicos , são geralmente pré-carregadas a uma pressão muito alta (se aproximando da pressão de operação do sistema) e são projetadas para evitar que a bexiga ou membrana seja danificada por essa pressão interna quando a pressão do sistema estiver baixa. Para os tipos de bexiga, isso geralmente requer que a bexiga seja preenchida com o gás para que, quando a pressão do sistema for zero, a bexiga seja totalmente expandida em vez de ser esmagada pela carga de gás. Para evitar que a bexiga seja forçada para fora do dispositivo quando a pressão do sistema é baixa, normalmente há uma placa anti-extrusão ligada à bexiga que pressiona e veda a entrada, ou uma placa com mola na entrada que fecha quando o a bexiga pressiona contra ele.
É possível aumentar o volume de gás do acumulador acoplando uma garrafa de gás ao lado do gás do acumulador. Para a mesma oscilação na pressão do sistema, isso resultará em uma porção maior do volume do acumulador sendo usado. Se a pressão não variar em uma faixa muito ampla, esta pode ser uma maneira econômica de reduzir o tamanho do acumulador necessário. Se o acumulador não for do tipo de pistão, deve-se tomar cuidado para que a bexiga ou a membrana não sejam danificadas em qualquer situação de sobrepressão esperada, muitos acumuladores do tipo bexiga não toleram que a bexiga seja esmagada sob pressão.
Um acumulador de gás comprimido foi inventado por Jean Mercier para uso em hélices de passo variável .
Tipo de primavera
Um acumulador do tipo mola é semelhante em operação ao acumulador carregado com gás acima, exceto que uma mola pesada (ou molas) é usada para fornecer a força de compressão. De acordo com a lei de Hooke, a magnitude da força exercida por uma mola é linearmente proporcional à sua mudança de comprimento. Portanto, à medida que a mola se comprime, a força que ela exerce sobre o fluido aumenta linearmente.
Tipo de fole metálico
Os acumuladores de fole metálico funcionam de forma semelhante ao tipo de gás comprimido, exceto que o diafragma elástico ou pistão flutuante é substituído por um fole metálico soldado hermeticamente fechado . O fluido pode ser interno ou externo ao fole. As vantagens para o tipo de fole metálico incluem taxa de mola excepcionalmente baixa, permitindo que a carga de gás faça todo o trabalho com pouca mudança na pressão de cheio para vazio, um curso longo que permite o uso eficiente do volume do invólucro e o fole pode ser construído para ser resistente a sobrepressão significativa que esmagaria um separador do tipo bexiga. O acumulador de fole de metal soldado fornece um nível excepcionalmente alto de desempenho do acumulador e pode ser produzido com um amplo espectro de ligas, resultando em uma ampla faixa de compatibilidade de fluidos. Outras vantagens desse tipo são que ele não enfrenta problemas com operação de alta pressão, pode ser construído para ser resistente a temperaturas muito altas ou baixas ou certos produtos químicos agressivos e pode durar significativamente mais em algumas situações. Os foles de metal tendem a ser significativamente mais caros do que outros tipos comuns de produção.
Funcionamento de um acumulador
Em sistemas hidráulicos modernos, muitas vezes móveis, o item preferido é um acumulador carregado com gás, mas os sistemas simples podem ser carregados com mola. Pode haver mais de um acumulador em um sistema. O tipo exato e a localização de cada um podem ser um compromisso devido aos seus efeitos e aos custos de fabricação.
Um acumulador é colocado perto da bomba com uma válvula de retenção impedindo o fluxo de volta para a bomba. No caso de bombas do tipo pistão, este acumulador é colocado no local ideal para absorver as pulsações de energia da bomba multipistão . Também ajuda a proteger o sistema do martelo hidráulico . Isso protege os componentes do sistema, particularmente a tubulação, de ambas as forças potencialmente destrutivas.
Um benefício adicional é a energia adicional que pode ser armazenada enquanto a bomba está sujeita a baixa demanda. O projetista pode usar uma bomba de menor capacidade. As grandes excursões dos componentes do sistema, como o trem de pouso em uma grande aeronave, que requerem um volume considerável de fluido, também podem se beneficiar de um ou mais acumuladores. Muitas vezes, eles são colocados perto da demanda para ajudar a superar as restrições e arrasto de longas operações de tubulação. O fluxo de saída de energia de um acumulador de descarga é muito maior, por um curto período de tempo, do que até mesmo bombas grandes poderiam gerar.
Um acumulador pode manter a pressão em um sistema por períodos em que há pequenos vazamentos sem que a bomba seja ligada e desligada constantemente. Quando as mudanças de temperatura causam excursões de pressão, o acumulador ajuda a absorvê-las. Seu tamanho ajuda a absorver o fluido que poderia ser bloqueado em um pequeno sistema fixo sem espaço para expansão devido ao arranjo da válvula.
A pré-carga de gás em um acumulador é ajustada de forma que a bexiga de separação, diafragma ou pistão não alcance ou atinja qualquer uma das extremidades do cilindro operacional. O projeto de pré-carga normalmente garante que as peças móveis não sujem as extremidades ou bloqueiem as passagens de fluido. A má manutenção da pré-carga pode destruir um acumulador operacional. Um acumulador devidamente projetado e mantido deve operar sem problemas por anos.