ACCUMULATORI IDRAULICI

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1 In generale, un accumulatore idraulico può accumulare liquido sotto pressione e restituirlo in caso di necessità; IMPIEGHI 1/2 Riserva di liquido Nei circuiti idraulici per i quali le condizioni di esercizio richiedono, per brevi intervalli di tempo, elevate portate di fluido. In questi casi, la pompa oleo-idraulica non viene scelta per la portata massima richiesta per tali brevi periodi ma con portate medie. Quando, durante il ciclo di lavoro, la portata richiesta dal circuito è inferiore alla portata effettiva della pompa, il fluido eccedente è utilizzato per caricare un accumulatore da cui può essere prelevato quando è richiesta una portata superiore a quella effettiva della pompa. Accumulazione di energia Quando occorrono velocità molto alte per tempi brevissimi, come nelle macchine ad iniezione. Apparecchio di emergenza In caso di avaria del sistema, ad esempio della pompa, permette di portare a termine una fase di lavoro già in iniziata.

2 IMPIEGHI 2/2 Ripristino dei trafilamenti Si compensano le perdite di liquido idraulico dovute ai trafilamenti per cui la pressione è mantenuta per un tempo maggiore. Compensatore di dilatazione Per evitare che variazioni di temperatura dell olio del circuito provochino variazioni di pressione. Smorzatore di punte di pressione Per ridurre le onde di pressione generate dal colpo d ariete nel caso di brusche aperture o chiusure di valvole o di organi d intercettazione. Smorzatore di pulsazioni Per avere un flusso costante esente dalle pulsazioni che, date le caratteristiche delle pompe, sono sempre presenti. Ammortizzatore In molte applicazioni sostituiscono gli ammortizzatori tradizionali.

3 TIPOLOGIE DI ACCUMULATORI 1) Accumulatore a peso 2) Accumulatore a molla 3) Accumulatore a pistone 4) Accumulatore a sacca 5) Accumulatore a membrana NOTA: il gas impiegato è l azoto che, essendo un gas inerte, non innesca fenomeni di esplosione

4 ACCUMULATORI A SACCA Gli accumulatori a sacca, caratterizzati da perfetta tenuta, rapida risposta e funzionamento quasi privo d inerzia, sono i più impiegati. Il liquido e il gas sono separati mediante una sacca elastica ermetica al cui interno è contenuto il gas (p0). p0 = pressione del gas Un accumulatore a sacca è costituito da: Un recipiente di acciaio 1 che può essere montato e fissato, mediante un attacco 2, su di un ramo del circuito; una valvola a fungo 3, che in posizione di riposo, è mantenuta sollevata da una molla; una sacca 4; una valvola 5 per il riempimento della sacca con gas.

5 ACCUMULATORI A SACCA Quando la sacca è precaricata con gas (b), essa occupa tutto il volume del recipiente in acciaio e chiude la valvola a fungo che protegge da danneggiamenti poiché impedisce il suo trafilamento nella tubazione; Quando nel circuito la pressione raggiunge la precarica del gas (c), il liquido fluisce nell accumulatore attraverso la valvola a fungo e l azoto contenuto nella sacca viene compresso; il volume di gas si riduce di una quantità pari a quella del liquido assorbito. Con il prelievo del liquido, la sacca si dilata (d).

6 VALVOLA DI SICUREZZA E SCARICO PER GLI ACCUMULATORI L accumulatore deve essere dotato di un manometro, per l indicazione della pressione di esercizio; inoltre, deve essere dotato di una valvola di sicurezza e di un rubinetto d esclusione, il più vicino possibile all accumulatore. 1) Accumulatore; 2) Raccordo; 3) Blocco; 4) Valvola di scarico 5) Limitatore di pressione; 6) Ingresso P; 7) Presa per manometro; 8) Scarico manuale; 9) Rubinetto di esclusione. L unità comprendente il manometro, la valvola di sicurezza e di esclusione prende il nome di blocco di sicurezza dell accumulatore. A volte nei disegni dei circuiti si rappresenta il solo simbolo dell accumulatore poiché il blocco di sicurezza lo si dà per sottinteso.

7 VALVOLA DI SICUREZZA E SCARICO PER GLI ACCUMULATORI La valvola di sicurezza degli accumulatori è una valvola a pistone bilanciato che impedisce il superamento della massima pressione d esercizio; tale valvola scarica, a bassa pressione, la portata in serbatoio quando il fluido raggiunge nell accumulatore il valore di pressione massimo ammesso. Il pistone 2 è mantenuto nella sua sede dalla debole spinta della molla 5. In tale posizione il pistone 2 è idraulicamente bilanciato e rimane premuto contro la sua sede fintanto che sono uguali le pressioni dell entrata e della camera 4, che comunica con l entrata attraverso il foro 3. La portata della pompa si dirige perciò nell accumulatore attraverso la valvola di ritegno 12. Una valvola di ritegno incorporata, impedisce il flusso inverso proveniente dall accumulatore. La valvola si compone di tre parti: il corpo, contenente il pistone equilibrato mantenuto in sede da una leggera molla; la sezione pilota che comanda idraulicamente lo spostamento del pistone equilibrato; la valvola di ritegno contenuta in una parte del corpo.

8 VALVOLA DI SICUREZZA E SCARICO PER GLI ACCUMULATORI Se nel circuito, la pressione della camera 8 raggiunge un valore tale da vincere la spinta della molla 6, la spina conica 7 si sposta dalla sua sede e l olio della camera 4 si scarica in serbatoio attraverso il foro assiale 1 del pistone 2. In tali condizioni il pistone 2 non è più idraulicamente bilanciato e si alza permettendo alla portata di scaricarsi in serbatoio. La valvola di ritegno 12, spinta dalla molla 11, si richiude e la pressione esistente nel circuito raggiunge la camera 10 attraverso il foro radiale esistente nella medesima valvola di ritegno 12. Tale pressione agisce sul pistoncino 9 che mantiene la spina conica 7 in posizione aperta. Quando la pressione del sistema, e quindi della camera 10, scende del 15% al di sotto del valore di apertura della valvola, la molla 6 riporta la spina conica 7 contro la sua sede vincendo la spinta della pressione sul pistone 9. La pressione in 4 aumenta ed il pistone 1, essendo idraulicamente bilanciato, spinto dalla molla 5 si richiude.

9 DATI CARATTERISTICI DEGLI ACCUMULATORI VOLUMI Vu = volume utile (è il volume di fluido realmente utilizzabile); Vt = volume totale o nominale (è il volume massimo che la sacca può occupare entro il recipiente quando è precericata con il gas). PRESSIONI p0 = pressione assoluta di precarica (pressione del gas azoto entro la sacca ad accumulatore a vuoto); p1 = pressione assoluta minima dell accumulatore (a tale pressione corrisponde il volume V1); p2 = massima pressione assoluta dell accumulatore (rappresenta il valore di taratura della valvola di sovrappressione e corrisponde al volume della sacca V2). La pressione di precarica (p0) risulta pari a p0= p1 NOTA: con p0 = 0.9 p1 si ottiene un accumulatore di dimensioni minori di quello che si otterrebbe con p0 = 0.7 p1 NOTA: quanto minore è la differenza di pressione tra p2 e p1, tanto maggiore diventa il volume totale dell accumulatore riferito ad un volume utile prefissato.

10 RAPPORTO DI UTILIZZAZIONE DEGLI ACCUMULATORI Il rapporto tra la pressione minima p1 e la massima p2 è detto rapporto di utilizzazione dell accumulatore. Negli accumulatori a sacca il rapporto di utilizzazione (la sacca non è sottoposta ad eccessive variazioni di volume) è dato da: p1/p2 = 0.71 da cui p2 = 1.4 p1 Fissata la pressione minima p1, la pressione massima p2 massimi: può essere compresa fra i valori minimi e p2 = p1 NOTA: con p2 prossimo a 1.5 p1 le dimensioni dell accumulatore diminuiscono e la sacca è sottoposta alla massima variazione di volume. NOTA: con p2 prossimo a 1.15 p1 le dimensioni dell accumulatore sono massime e la sacca è sottoposta alle minime variazioni di volume. NOTA: la pressione massima p2 si raggiunge ad accumulatore caricato. NOTA: per avere una piccola variazione di pressione nel circuito è necessario che le due pressioni p1 e p2 siano prossime in modo da produrre una piccola deformazione della sacca con conseguente piccola variazione della pressione del gas.

11 ESEMPI DI CIRCUITI CON ACCUMULATORE Accumulatore a monte dei distributori.

12 ESEMPI DI CIRCUITI CON ACCUMULATORE Accumulatore a valle del distributore.

13 IMPIEGO DELL ACCUMULATORE COME RISERVA DI FLUIDO Nei cicli di lavoro per i quali vi è la necessità di fornire grandi portate, ma solo per brevi periodi, l impiego di un accumulatore è utilissimo per il risparmio sia in termini di costo d installazione (pompe e motori più piccoli) che di costi di esercizio. La portata della pompa deve essere proporzionata in modo tale da avere i seguenti volumi: V1 + V2 V3 + V4 Quando, durante il ciclo di lavoro, la portata richiesta dal circuito è inferiore a quella effettiva della pompa, il fluido eccedente è utilizzato per caricare un accumulatore da cui può essere prelevato quando è richiesta una portata superiore a quella effettiva della pompa.

14 CALCOLO DELL ACCUMULATORE A SACCA PER RISERVA DI FLUIDO L impiego di un accumulatore, necessario per avere a disposizione una quantità di fluido di riserva che permetta di far fronte a maggiori richieste temporanee di portata, consente di utilizzare pompe con portate minori delle massime richieste, con conseguente risparmio di potenza e serbatoi di minori dimensioni. Per la ricerca dell accumulatore è necessario conoscere: il volume utile (Vu), cioè la quantità di fluido che deve essere immagazzinato; il volume totale (Vt), cioè il volume che la sacca, precaricata col gas, occupa nel recipiente.

15 RICERCA DEL VOLUME UTILE (Vu) 1/2 Per valutare il volume di fluido che deve essere accumulato si trovano: L area di ogni rettangolo rappresenta il volume di olio necessario per ogni fase attiva. Senza l impiego dell accumulatore occorrerebbe una pompa capace di fornire il volume di olio massimo pari a1.45 L/s. 1. La durata complessiva del ciclo; 2. La durata delle fasi attive; 3. La portata per ogni fase attiva dei cilindri; 4. Il volume di olio necessario per attuare tutte le fasi attive; 5. La portata media effettiva della pompa, dividendo il volume di olio per il tempo ciclo completo (comprendendo gli eventuali tempi passivi); 6. Il volume di olio che la pompa fornisce nelle fasi attive; 7. Il volume utile dell accumulatore sottraendo da quello necessario per le fasi attive, il volume di olio fornito dalla pompa nelle medesime fasi attive; 8. Il volume totale dell accumulatore.

16 RICERCA DEL VOLUME UTILE (Vu) 2/2 Dall osservazione del diagramma si rileva che: - La durata complessiva del ciclo è di 21 s; - La durata delle fasi attive è di 13 s; - Il volume di olio per attuare le fasi attive è di: = 10.6 L; - La portata media effettiva della pompa è data da: Qe = 10.6/21 = 0.5 L/s - Il volume di olio che fornisce la pompa nelle fasi attive è di: V = Qe * t = 0.5 * 13 = 6.5 L Per sicurezza, la portata media effettiva della pompa si aumenta del 15% e, fra le pompe in commercio, si sceglie quella la cui portata effettiva per eccesso è prossima a quella calcolata. - Il volume utile dell accumulatore: Vu = = 4.1 L

17 RICERCA DEL VOLUME TOTALE (Vt) 1/3 Il gas contenuto nella sacca dell accumulatore segue la legge di Boyle-Mariotte: con p (MPa) = pressione assoluta del gas; V (m 3 ) = volume del gas p*v n = cost Se nel riempimento o svuotamento dell accumulatore, la compressione o l espansione della sacca avviene lentamente, in modo da permettere un completo scambio di calore con l esterno, si parla di trasformazione isotermica. In tal caso la temperatura del gas nella sacca rimane costante con n = 1. Se, invece, il riempimento o svuotamento della sacca avviene velocemente, in modo che non vi sia alcuno scambio di calore con l esterno, si parla di trasformazione adiabatica con n = L equazione del gas diventa: Nel caso degli accumulatori le trasformazioni stanno fra l isotermica e l adiabatica (trasformazioni politropiche) e perciò l esponente è compreso fra 1 e 1.41.

18 RICERCA DEL VOLUME TOTALE (Vt) 2/3 Determinato il Vu, cioè la quantità di olio che deve essere accumulato, per calcolare il Vt, cioè il volume massimo che occupa la sacca, precaricata con il gas, si considerano i tre stadi di pressione a cui è sottoposta la sacca: - p0 a cui corrisponde il volume della sacca Vt; - p1 a cui corrisponde il volume della sacca V1; - p2 a cui corrisponde il volume della sacca V2; Si può scrivere perciò: Uguagliando successivamente il secondo e il terzo membro al primo, si ricavano V1 e V2 la cui differenza esprime il volume utile Vu, si ha pertanto:

19 RICERCA DEL VOLUME TOTALE (Vt) 3/3 Per cui: ed infine, il volume totale dell accumulatore in funzione del suo volume utile sarà dato da: L esponente 1/n sarà pari a 1 se la trasformazione è isotermica e pari a 0.71 (reciproco di 1.41) se è adiabatica. E preferibile calcolare il volume totale ipotizzando che tutte le trasformazioni siano adiabatiche poiché, risultando il recipiente di dimensioni maggiori rispetto a quello che si otterrebbe ipotizzando le trasformazioni di tipo isotermico, si ha maggiore sicurezza di avere a disposizione la quantità di olio necessario. Nei casi in cui l accumulatore debba essere utilizzato solo per mantenere la pressione o per compensare eventuali perdite, le trasformazioni si ritengono di tipo isotermico.