Especificando Acumuladores Hidráulicos
Aprenda como realizar a especificação de acumuladores hidráulicos
Por Gustavo Marinho, CFPHS | 31 de Junho de 2020
Os acumuladores são usados para armazenar energia hidráulica tanto quanto uma bateria ou um capacitor armazena energia elétrica. Os acumuladores também são usados para resolver problemas de cargas de choque e pulsações. Os acumuladores hidráulicos usam pesos, molas ou pressão de gás para gerar a força de pré-carga contra o fluido que é armazenado para uso no sistema.
Para este artigo em especifico, daremos maior atenção aos acumuladores com carga de gás, que de forma básica utilizam pistões, bexigas ou diafragmas para separar o fluido hidráulico da carga de gás.
Sumário
Acumulador de Bexiga
Os acumuladores de bexiga estão dentre os mais comuns tipos de acumuladores, bem como possuem as mais variadas aplicações, desde de sistemas submarinos até aeroespacial. Dentre as características favoráveis para o uso deste tipo de acumulador encontram-se as seguintes:
• Separação física entre as câmaras de fluido hidráulico a do gás, providenciada pela bexiga;
• A pequena massa do elastômero que possibilita a obtenção de respostas rápidas do acumulador a solicitações em pressão, aproximando-o do acumulador sem separador.
Modelo de amostra de um sistema submarino com suprimento de superfície usando o modelo de elementos “Subsea Hydraulics” no software Simulation X.
Os acumuladores do tipo bexiga estão disponíveis em tamanhos variando de 115 cc (7 pol3) a 300 litros (80 galões), geralmente em faixas de pressão de 21 MPa e 35 MPa (3.000 e 5.000 psi).
Os acumuladores com carga de gás operam colocando o gás compressível sobre o fluido hidráulico quase incompressível em um vaso de pressão de volume constante. A pressão hidráulica e o volume de fluido disponível para o sistema dependem da pressão de pré-carga e das características de expansão do gás. O nitrogênio seco é normalmente usado para pré-carregar acumuladores. Devido ao risco de combustão espontânea, nunca use oxigênio ou ar para pré-carregar um acumulador.
Os termos isotérmico e adiabático são usados para descrever as características de expansão do gás. A compressão e descompressão constantes do gás faz com que o mesmo aqueça e esfrie, respectivamente. Se o volume do gás é alterado lentamente, as mudanças de temperatura são dissipadas através dos materiais sólidos do acumulador e, portanto, a temperatura do gás é mantida constante. Isso é chamado de contração e expansão isotérmica (mesma temperatura).
Quando um gás é comprimido e expandido rapidamente, o aquecimento e o resfriamento causam alterações de pressão além daquelas que ocorrem estritamente como resultado de alterações de volume. Se o gás for isolado para que muito pouco calor possa escapar, a pressão do gás aumentará e diminuirá mais do que inversamente à mudança de volume. Sob compressão, o calor adicionado ao gás à medida que é comprimido aumentará a pressão acima do aumento de pressão causado pela redução do volume. Em expansão, a pressão diminuirá mais do que seria esperado apenas aumentando o volume. Isso é chamado de contração e expansão adiabática (não pode passar).
Para acomodar mudanças na pressão e na temperatura do gás de pré-carga, a Lei Geral dos Gases pode ser usada para calcular o volume disponível em um acumulador. Valores absolutos são usados para temperatura e pressão ao fazer cálculos. Rankin é a escala absoluta para Fahrenheit e Kelvin é a escala absoluta para Celsius. As fórmulas para converter de Fahrenheit em Rankin e Celsius em Kelvin são as seguintes:
Lei dos Gases Ideais
Relação de área Carretel / Assento.
A temperatura tem efeito na aplicação de acumuladores. As leis do gás ideal nos dizem que, para uma determinada mudança de temperatura, haverá uma mudança correspondente na pressão dentro de um acumulador. Isso faz da temperatura uma consideração necessária ao dimensionar um acumulador. Se a temperatura ambiente mudar, a temperatura do gás no acumulador também mudará e afetará a pressão.
Por exemplo, um acumulador em um equipamento ao ar livre pode ter uma condição ambiental muito diferente no início da manhã do que no calor do dia. O projetista deve ter certeza de que o acumulador será dimensionado adequadamente para atender a essas condições.
Em geral, carregar o acumulador pode ser considerado um processo isotérmico e a operação normal do acumulador é considerada uma operação adiabática.
As seguintes equações são para condições adiabáticas ao resolver o dimensionamento do acumulador ou o volume disponível:
Sempre que o calor da compressão de um gás é permitido dissipar, uma energia substancial é perdida. Ao isolar um acumulador, uma condição mais adiabática é mantida e menos energia é perdida.
Um acumulador carregado armazenou energia. A liberação descontrolada dessa energia pode causar ferimentos graves, seja por contato direto com fluido pressurizado ou pelo movimento inesperado e descontrolado de uma máquina. É absolutamente essencial que a energia seja drenada ou isolada antes de qualquer trabalho ser realizado no acumulador ou ao redor dele. Isso significa que a pressão do fluido hidráulico deve ser isolada ou levada ao manômetro zero ou isolada de uma possível liberação inesperada.
Um acumulador com carga de gás também deve ter a pressão do gás levada ao zero ou ser isolada de liberação inesperada. Um dispositivo bem comum para essa aplicação são os “Blocos de segurança”.
Aplicação
A liberação da carga de gás deslocará o ar ao redor do acumulador. Se isso for feito em uma área pequena, existe o perigo de asfixia. Verifique se a área está bem ventilada ou se o gás é expelido para o exterior. Um acumulador, pré-carregado a 100 bar, desloca 100 vezes seu volume de ar.
O fluido armazenado em um acumulador estará sempre a uma pressão mais alta do que a exigida pela carga. Para evitar o excesso de velocidade do atuador, será necessário algum tipo de limitação de fluxo. Um controle restritivo de fluxo descarregará a energia cinética extra no fluido como calor. Quanto menor o acumulador em relação à quantidade de energia armazenada, maior o diferencial de pressão e maior a perda de energia através de um controle de fluxo.
O circuito do acumulador de centro fechado mostrado acima ajuda a manter a pressão do sistema. Também poderia complementar o fluxo da bomba para operar o cilindro. Manter a pressão do sistema com o acumulador e a válvula central fechada torna o circuito mais responsivo. O acumulador também complementará o fluxo da bomba para fornecer mais fluido do que a bomba sozinha poderia durante breves períodos de alto uso. Quando o cilindro tem seu avanço máximo e a válvula direcional continua acionada, a bomba reabastece o acumulador.
A pressão abrirá a válvula de descarga, descarregando a bomba, enquanto o acumulador recupera o fluido perdido devido a abertura do sistema. Quando o fluido no acumulador estiver esgotado e a pressão cair abaixo da configuração da válvula de descarga, a válvula de descarga será fechada, direcionando o fluxo da bomba para o circuito e também reabastecendo o acumulador. Teoricamente, muito pouco fluxo passará sobre a válvula de alívio.
A linha do acumulador é equipada com uma válvula de retenção de fluxo livre, permitindo fluxo irrestrito para o acumulador e um orifício ajustável em paralelo com a válvula de retenção para controlar o fluxo do acumulador para o circuito. Sem a válvula de controle de vazão (tipo agulha), a velocidade do cilindro seria dependente da taxa de descarga do acumulador, que pode ser muito maior que a taxa de fluxo exigida pela aplicação.
A bomba de deslocamento fixo enche o acumulador enquanto a válvula de controle direcional está na posição central ou quando o cilindro está embaixo quando a válvula ainda está deslocada. Quando o “set point” da válvula de descarga é atingido, a válvula de descarga direciona o fluxo desnecessário da bomba para o reservatório. A mudança da válvula de controle direcional libera o fluido no acumulador e o direciona para o cilindro.
A bomba permanece descarregada enquanto o acumulador puder fornecer fluido ao cilindro a uma pressão acima da configuração da válvula de descarga. À medida que a pressão cai, a válvula de descarga fecha e a bomba aciona o cilindro e, com o tempo, reabastece o acumulador. A pressão máxima do sistema é controlada pelo ajuste da válvula de descarga / alívio. O piloto interno operaria a válvula de alívio caso o piloto externo se tornasse inoperante.
Como medida de segurança, a válvula solenoide 2/2 normalmente aberta libera fluido pressurizado, através de um pequeno orifício, quando o sistema é desligado. A válvula de retenção impede que o fluido a jusante passe para o tanque quando a válvula de descarga é aberta por pilotagem.
