Гидроаккумуляторы

Гидроаккумуляторы, они же пневмогидроаккумуляторы — это устройства, которые служат для накопления и передачи энергии в гидравлических системах.
Они работают по принципу сжатия газа для хранения гидравлической жидкости под давлением, что позволяет аккумулировать энергию и использовать её в нужный момент.
Этот тип оборудования широко применяется в гидравлических системах промышленности, энергетики и транспорта.

Классификация гидроаккумуляторов

Гидроаккумуляторы можно классифицировать по нескольким основным параметрам:

  1. По конструкции:

    • Мембранные (диафрагменные) — содержат гибкую мембрану, разделяющую газовую и гидравлическую камеры. Мембрана деформируется при изменении давления.
    • Поршневые — имеют жесткий поршень, который перемещается под давлением жидкости или газа, разделяя камеры.
    • Баллонные (или пузырьковые) — газ хранится в резиновом баллоне, который может сжиматься и расширяться в зависимости от давления жидкости.

  2. По типу среды:

    • Газовые — где накопление энергии происходит за счет сжатия газа (обычно азота).
    • Гидравлические — где энергия накапливается в гидравлической жидкости.

  3. По назначению:

    • Накопительные — для хранения энергии и использования её в пиковых нагрузках.
    • Гашения пульсаций — для сглаживания колебаний давления в гидравлических системах.
    • Аварийные — для обеспечения резервного запаса энергии в случае выхода из строя основной системы.

Типы гидроаккумуляторов

  1. Мембранные аккумуляторы Они наиболее распространены благодаря своей простоте конструкции и надёжности. Мембрана, разделяющая газ и жидкость, служит барьером, который при сжатии или расширении регулирует накопление энергии. Эти аккумуляторы компактны и требуют минимального обслуживания.
    Компания Систехпром имеет собственное производство мембранных сварных гидроаккумуляторов.

  2. Поршневые аккумуляторы Отличаются тем, что газ и жидкость разделены жёстким поршнем. Такие устройства применяются в системах с высоким давлением и большим объёмом, так как они способны аккумулировать значительное количество энергии. Эти аккумуляторы требуют тщательного контроля за герметичностью поршня.

  3. Баллонные аккумуляторы Газ заключён в гибкий баллон, который при изменении давления сжимается или расширяется. Баллонные гидроаккумуляторы обладают высокой устойчивостью к внешним механическим воздействиям и подходят для работы в суровых условиях.

Преимущества и недостатки

Преимущества гидроаккумуляторов:

  • Эффективность энергии — накопление и выдача энергии происходит с минимальными потерями.
  • Надёжность — простая конструкция делает гидроаккумуляторы долговечными и неприхотливыми в обслуживании.
  • Быстрая реакция — они способны мгновенно реагировать на изменение давления в системе, что позволяет поддерживать стабильную работу.
  • Компактность — относительно небольшие размеры по сравнению с механическими системами накопления энергии.
  • Безопасность — гидроаккумуляторы не создают опасности возгорания или взрыва, как это может быть с электрическими системами.

Недостатки:

  • Ограниченный объём накопленной энергии — по сравнению с другими системами хранения энергии (например, электробатареями), объём накопленной энергии в гидроаккумуляторах ограничен.
  • Необходимость регулярного контроля за давлением газа — утечки могут привести к снижению эффективности работы системы.
  • Высокая стоимость в случае сложных поршневых систем — поршневые аккумуляторы, особенно для высоких давлений, могут быть значительно дороже других типов.

Типовые показатели

  • Рабочее давление: обычно варьируется от 100 до 400 бар.
  • Объём жидкости: от нескольких десятков миллилитров до нескольких кубометров в зависимости от конструкции и назначения.
  • Температурный диапазон: большинство гидроаккумуляторов работают в диапазоне от -40°C до +80°C. С определенным типом мембран верхняя температура возможна до +120°C.
  • Эффективность: КПД таких систем может достигать 95% благодаря минимальным потерям при преобразовании энергии.

01. Методы выбора ПГА

Для выбора ПГА требуется учитывать многие параметры гидравлической системы. Наиболее важные из них:

  • Рабочие давления — минимальное Р1 и максимальное Р2.
    Величина Р2 должна быть меньше, либо равна максимально разрешенному давлению для ПГА по причинам безопасности.
  • Объем рабочей жидкости, который хотим хранить или использовать.
  • Особенности конкретного применения.
    Важно установить при каких условиях работает газ  — изотермических или адиабатических.
    Если сжатие или расширение газа медленное (более 3 минут), то можно считать, что температура газа примерно постоянна, т.е. изотермические условия. Примеры такого применения: стабилизация давления, компенсация объема, уравновешивание мех. системы, смазывающие системы.
    В случае быстрого сжатия газа или расширения (меньше 3 минут) — процесс адиабатический. Примеры применения: компенсация пульсаций, гидроударов, отдача накопленной энергии и т.п.
  • Рабочая температура. Она влияет на выбор мембраны, стальной оболочки, давление предварительной зарядки и соответственно на объем ПГА в целом.
  • Тип рабочей жидкости — также определяет выбор материалов ПГА.
  • Требуемый максимальный расход рабочей жидкости. Скорость реакции ПГА зависит от его объема и от размера подключения.
  • Расположение в конкретной гидравлической системе. Чтобы вписаться в требования этой системы.

Определив вышесказанное, можно выбрать нужный пневмогидроаккумулятор.

02. Давление газа предварительной зарядки

Для максимальной эффективной и долговременной эксплуатации ПГА и его компонентов очень важен корректный выбор давления предварительной зарядки газа.

В теории, максимальный объем хранения или отдачи рабочей жидкости достигается когда давление предварительной закачки газа Р0 совпадает с минимальным рабочим давлением Р1.
На практике, по причинам безопасности оставляется разница между вышеупомянутыми давлениями. Как правило, если не обозначено другое, принимается формула Р0=0,9Р1.

Общие пределы давления предварительной зарядки газом лежат в диапазоне 0,25P2≤P0≤P1

Существуют отдельные формулы расчета Р0 для специфических применений:

  • ПГА для гидроцилиндров — Р0=0,95~0,97Р1 или Р0=Р1-(2~5)
  • ПГА для сглаживания пульсаций и гидроударов — Р0=0,8Р1 или Р0=0,6~0,75Рср, где Рср — среднее рабочее давление
  • ПГА в сочетании с дополнительными газовыми емкостями — Р0=0,95~0,97Р1

Величина давления предварительной заправки газом действительна для максимальной рабочей температуры Т2 необходимой в эксплуатации. Зарядка же или проверка давления газа ПГА происходит при другой температуре Тз, поэтому необходимое давление при зарядке газом Р0з при температуре Тз рассчитывается по формуле: Р0з=Р0(Тз+273)/(Т2+273)

03. Принципы расчета ПГА

Сжатие и расширение газа в ПГА происходит согласно закону Бойля-Мариотта:
P0×V0n=P1×V1n=P2×V2n,
где n — показатель политропы.
Для изотермического процесса n=1, для адиабатического — n=1,4.
Для более точных расчетов при определении величины n необходимо использовать график зависимости показателя политропы от времени.
В расчетах давление выражено в абсолютных барах, а температура в градусах Кельвина.

04. Расчет объема ПГА

Разница между объемом V1 при минимальном рабочем давлении P1 и объемом V2  при максимальном рабочем давлении P2 дает нам количество хранимой в ПГА рабочей жидкости ΔV=V1-V2.
При изотермической реакции, т.е. при n=1, 
подставляя данные в формулу закона Бойля-Мариотта, получаем, что объем ПГА V0 будет равен:
V0=ΔV/(P0/P1-P0/P2)
При адиабатическом процессе, т.е. при n=1.4 или 1/n=0,7143, объем ПГА будет рассчитываться по формуле:
V0=ΔV/((P0/P1)0.7143-(P0/P2)0,7143)
Кроме того, если в результате рабочего процесса температура заметно изменяется, то в расчет объема в данном случае нужно вносить температурные поправки: V0t=V0×T2/T1, где
V0t — объем, скорректированный на температурные вариации, T2 — максимальная рабочая температура
T1 — минимальная рабочая температура.
При высоком давлении Р2 (более 200 бар) к последней формуле добавляются корректирующие коэффициенты из графиков.

05. Расчет ПГА для компенсации объема

Пример расчета ПГА, который используется для компенсации объема. Полный объем, который надо компенсировать равен: ΔV=Vт×(Т2-Т1)×(β-3α),
где
Vт — объем труб
β — коэффициент объемного расширения жидкости
α — коэффициент линейного расширения труб

Таким образом необходимый объем ПГА равен:
V0=ΔV/(P0/P1-P0/P2)

06. Расчет ПГА для компенсации утечек

Объем утечек определяет необходимый объем ПГА.
ΔV=Q1×t
P0=0.9×P1

Подставляем ΔV и P0 в известную уже формулу:
V0=ΔV/(P0/P1-P0/P2)

07. Расчет ПГА для аварийного запаса энергии

В типичных случаях хранение рабочей жидкости это изотермический процесс n=1, а отдача в аварийной ситуации очень быстрый процесс, т.е. адиабатический n=1.4 (1/n=0.7143).
Поэтому хранимый объем ΔV запасенной рабочей жидкости в большинстве случаев с достаточной точностью равен:
ΔV=V0×(P0/P2)-((P2/P1)0.7143-1)

08. Расчет ПГА для сглаживания пульсаций

Сглаживание пульсаций в типичных случаях это адиабатический процесс. Объем жидкости, участвующей в пульсации, зависит от гидронасоса — его типа и объема
ΔV=K×q, где
q — объем гидронасоса в литрах
K — коэффициент, зависящий от числа поршней/1-стороннего, 2-стороннего действия:
1/1 — К=0.69; 1/2 — К=0.29; 2/1 — К=0.29; 2/2 — К=0.17;
3/1 — К=0.12; 3/2 — К=0.07; 4/1 — К=0.13; 4/2 — К=0.07;
5/1 — К=0.07; 5/2 — К=0.023; 6/1 — К=0.07; 7/2 — К=0.023
Подставляем ΔV и получаем объем ПГА:
V0=ΔV/((P0/P1)0.7143-(P0/P2)0.7143), здесь
Р — среднее рабочее давление, P1=Р-Х, Р2=Р+Х.

09. Расчет ПГА для уменьшения гидроударов

Быстрое увеличение давления, вызванное большим ускорением или торможением потока жидкости называется гидроударом. Прирост этого давления зависит от длины и объема трубопроводов, плотности и скорости течения жидкости, скорости закрытия клапана. Поэтому объем ПГА для уменьшения гидроударов с допустимым приростом давления  ΔP рассчитывается по формуле:
V0=Q/7.2×((2×γ×L×ν)/(ΔP×105)-t)/((P0/P1)0.7143-(P0/P2)0.7143), где
V0 — объем газа ПГА
Q — поток в трубопроводе, куб.метр/час
L — общая длина трубопроводов, метр
γ — плотность жидкости, кг/куб.метр
ν — скорость потока, м/сек
Р1 — рабочее давление свободного потока, абсолютные бары
Р2=Р1+ΔP — максимально допустимое давление
t — время ускорения/торможения потока жидкости, сек.

Корзина для покупок
Прокрутить вверх