Гидроаккумуляторы
В соответствии с «ГОСТ 17752-81 (СТ СЭВ 2455-80) Гидропривод объемный и пневмопривод. Термины и определения» гидроаккумулятором называется гидроемкость, «предназначенная для аккумулирования и возврата энергии рабочей жидкости, находящейся под давлением».
С помощью данного класса технических устройств решается целый комплекс задач. Как следует из названия, это, прежде всего, накопление гидравлической энергии. Она может быть основной для т. н. аккумуляторного гидропривода, в котором рабочая среда подается в объемный гидродвигатель из гидроаккумулятора, предварительно заряженного от внешнего источника, не входящего в состав привода.
Гидроаккумулятор, установленный в гидросистеме, включающей источник энергии, помогает поддерживать ее работу в аварийных и нештатных ситуациях, например, при выходе этого источника из строя. Аккумулирование энергии рабочей жидкости происходит во время пауз или незначительного расхода. В периоды интенсивной работы накопленная энергия возвращается в систему.
Зарезервированное давление в гидроаккумуляторе помогает свести на нет влияние таких факторов, как вызванное колебаниями температуры изменение объема рабочей жидкости и ее потери, провоцирующие снижение давления. Установка гидроаккумулятора позволяет преодолевать пиковые, т. е. намного превосходящие средний расход жидкости в системе, нагрузки. Работа гидроаккумулятора делает возможной энергосберегающую рекуперацию мощности, что, в свою очередь, позволяет уменьшить мощность гидропривода, увеличить его КПД и снизить потребление энергии в целом.
Установить гидроаккумулятор, цена которого не столь велика, означает сократить эксплуатационные расходы на работу гидропривода, уменьшить размеры и, как следствие, стоимость его элементов. В частности, можно использовать насосы с меньшей мощностью и рабочим объемом, чем в аналогичных системах без гидроаккумулятора.
А еще, гидроаккумулятор способен служить надежным демпфером от пульсаций насосов (насос с гидроаккумулятором работает тише) и гидравлических ударов во всасывающих и напорных магистралях.
Являясь в значительной части своих функций защитником, гидроаккумулятор сам нуждается в защите и осторожном обращении.
Специальные предохранительные устройства должны оберегать его от перегрузок. В гидросистеме следует предусмотреть устройства, обеспечивающие отключение гидроаккумулятора и его соединение со сливной линией. Гидросистемы, снаряженные гидроаккумулятором, при отключении должны «автоматически сбрасывать давление аккумулированной рабочей жидкости или надежно запирать гидроаккумулятор» (слова в кавычках ─ из «ГОСТ Р 52543-2006 (ЕН 982:1996) Гидроприводы объемные. Требования безопасности»).
Необходимо соблюдать указанную производителем температуру рабочей жидкости и окружающей среды. Гидроаккумулятор, как и все связанные с ним и находящиеся под давлением гидравлические устройства, должен быть надежно закреплен. Пользователям категорически запрещено самостоятельно производить какие-либо изменения в гидроаккумуляторах при их монтаже, особенно сопряженные с применением механической обработки и сварочных работ.
Ответы на вопросы, какой гидроаккумулятор выбрать, и какой является оптимальная схема подключения гидроаккумулятора, ─ удел профессионалов. Равно, как только им можно доверить выполнение таких работ, как подключение гидроаккумулятора и замена гидроаккумулятора.
Конструктивное устройство и принцип работы гидроаккумулятора. Пневмогидроаккумуляторы
Аккумулировать и возвращать энергию можно благодаря нескольким конструктивным решениям. В зависимости от того, какое из них положено в основу конструкции, выделяют устройства с механическим накопителем ─ грузовые, пружинные (в т. ч., с упругим корпусом), а также пневматические, т. н. пневмогидроаккумуляторы.
В грузовом гидроаккумуляторе гидравлическая энергия преобразуется в потенциальную (гравитационную) энергию груза, давящего на поршень. При разрядке поршень с грузом возвращают накопленную энергию обратно в гидравлическую систему.
В пружинном гидроаккумуляторе роль груза играет упругая пружина, а сил гравитации ─ сила упругости. Давление жидкости определяется упругими свойствами и перемещением пружины. Функции пружины может выполнять упругий корпус.
Перечисление достоинств грузовых и пружинных гидроаккумуляторов грозит обернуться дежурной формальностью, поскольку, несмотря на их наличие, за исключением отдельных локальных приложений, оказать достойную конкуренцию устройству, носящему название пневмогидроаккумулятор (ПГА), они сегодня не могут. Общие их плюсы ─ относительная простота конструкции и небольшая стоимость. «Персональными» преимуществами грузового гидроаккумулятора являются постоянство давления (у пружинного оно зависит от свойств и деформации пружины) и больший, чем у пружинного рабочий объем.
В названии этой главы можно было бы использовать еще один термин ─ гидропневмоаккумулятор. Он тоже встречается в нормативных документах. Например, в вышеупомянутом ГОСТ Р 52543-2006. (В «ГОСТ 17752-81. Гидропривод объемный и пневмопривод. Термины и определения» для гидроаккумулятора, в котором аккумулирование и возврат энергии происходят за счет сжатия и расширения газа, соседствующего с почти несжимаемой жидкостью, установлено название «пневмогидроаккумулятор»). В данном случае, от перемены мест «пневмо» и «гидро» смысл слова не меняется. Вариант пневмогидроаккумулятор используется чаще.
Очевидные преимущества пневмогидро- или гидропневмоаккумуляторов ─ высокая энергоемкость, компактность, разнообразие конструктивных решений. А все это вместе ─ более высокая эффективность.
Разнообразие конструктивных решений можно свести к нескольким основным типам.
Пневмогидроаккумуляторы: баллонные, мембранные, поршневые
В зависимости от того, контактируют газ и жидкость друг с другом или нет, пневмогидроаккумуляторы делят на две большие группы ─ с разделителем и без разделителя сред. Возможно компромиссное решение ─ устройство пневмогидроаккумулятора с неполным разделением, т. н. ПГА поплавково-клапанного типа с эластичным или жестким поплавком.
Вид разделителя ─ поршень, мембрана (сильфон), баллон ─ дает основание выделить три типа устройств: поршневые (пневмогидроаккумулятор АРХ или АРФ), мембранные (сильфонные), баллонные (пневмогидроаккумулятор АПГ-Т).
«Газовая составляющая» пневмогидроаккумуляторов чаще всего представлена инертными газами (аргоном, например). Нередко выполняется заправка пневмогидроаккумуляторов азотом. При соседстве с негорючими жидкостями допустима зарядка пневмогидроаккумулятора сжатым воздухом.
В баллонных и мембранных пневмогидроаккумуляторах силы, затрачиваемые на деформацию диафрагмы или баллона, малы, и поэтому такие устройства можно считать безынерционными. Поршневой пневмогидроаккумулятор обладает инерционностью ─ часть накапливаемой ими энергии расходуется на преодоление сил трения поршня о цилиндр.
Мембранный пневмогидроаккумулятор отличается компактностью. Изготавливается со сварным или разборным корпусом. Во втором случае возможна многократная замена мембраны.
Где применяют пневмогидроаккумуляторы
Для чего используют гидроаккумуляторы вообще и пневмогидроаккумуляторы в частности, было сказано выше. Теперь пришло время сказать, где их применяют.
Широко известны гидроаккумуляторы для водоснабжения. О необходимости гидроаккумулятор купить знают все домовладельцы, чьи жилища оборудованы автономными инженерными системами. Гидроаккумулятор для систем водоснабжения обеспечивает накопление жидкости, принятие избыточного давления, демпфирование гидравлических ударов, поддержание требуемого давления при выключенном насосе (что обеспечивает последнему более щадящий режим работы), а также помогает преодолевать «пики» потребления жидкости.
Но водоснабжением сфера использования данных устройств не ограничивается. Пневмогидроаккумуляторы используют в промышленности и на транспорте. Например, в пассивной системе аварийного охлаждения активной зоны атомных станций.
В авиации они установлены в тормозных системах шасси летательных аппаратов. На судах ─ в гидравлических системах управления.
Их использование регламентирует целый ряд нормативных документов ─ Межотраслевые правила по охране труда при холодной обработке металлов, Правила промышленной безопасности резиновых производств, Правила по охране труда при выполнении кузнечно-прессовых работ и др.
Пневмогидроаккумуляторы применяют в станках, в транспортных средствах, специальной и строительной технике (экскаваторах, бульдозерах). Их использование в машинах циклического действия с гидродвигателями позволяет этому оборудованию работать в течение длительного времени при пониженном рабочем давлении.
И, конечно, гидроаккуммуляторы имеют огромное значение для нефтегазовой отрасли. Не случайно они упоминаются в таких документах, как Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности» и «Правила безопасности морских объектов нефтегазового комплекса», в «Инструкции по предупреждению газонефтеводопроявлений и открытых фонтанов при строительстве и ремонте скважин в нефтяной и газовой промышленности (РД 08-254-98)», в ГОСТ 13862-90 (СТ СЭВ 6149-87, СТ СЭВ 6913-89, СТ СЭВ 6914-89, СТ СЭВ 6916-89) Оборудование противовыбросовое. Типовые схемы, основные параметры и технические требования к конструкции».
Пневмогидроаккумулятор ─ демпферное устройство или гаситель пульсаций давления
Радиальные и осевые плунжерные и мембранные дозировочные насосы являются устройствами возвратно-поступательного движения, и в силу этого их работа сопровождается пульсациями давления. Пульсации передаются другим элементам гидравлических систем и становятся причиной возникновения вибрации и шума. Пиковые значения импульсов давления провоцируют гидравлические удары, представляющие опасность для всех элементов трубопроводной системы, включая сами насосы. Кроме того, их следствием является неравномерность дозирования. Пульсации давления в гидросистемах могут быть также обусловлены погрешностями дозирования и неравномерностью нагрузки привода.
Особенно опасно, когда совпадение частот колебаний компонентов гидросистемы и пульсации давления приводит к эффекту резонанса. Это чревато разрушительными последствиями ─ разрывом гидравлических линий, нарушением работы приборов и датчиков. Виброизоляция и гибкие шланги ─ всего лишь полумеры. Полностью решить проблему гашения колебаний может использование демпферов-пневмогидроаккумуляторов.
При сравнении пульсации в гидравлических системах без демпфера и с демпфером видно, насколько во втором случае пики затухающей синусоиды пульсаций ближе к оси абсцисс (оси времени), и насколько быстрее они превращаются в почти совпадающую с ней прямую линию.
Обеспечивающий уменьшение скачков давления, а, значит, вибрации и шумов, пневмогидроаккумулятор ─ гаситель пульсаций насоса и шире ─ гаситель пульсаций давления жидкости, напрямую способствует улучшению выходных характеристик насосов. Долговременный эффект использования демпферов ─ снижение эксплуатационных расходов на обслуживание гидравлических систем и увеличение срока их службы.
Пневмогидроаккумуляторы в качестве гасителей пульсаций дозировочных насосов используют при комплектации технологического оборудования в различных отраслях промышленности. Но особенно в больших масштабах ─ на предприятиях нефтеперерабатывающей, химической и энергетической отраслей.
Гаситель пульсаций может быть установлен на одном из трубопроводов ─ всасывающем, напорном (в большинстве случаев) или одновременно на обоих. Во всех вариантах преследуется достижение двух главных целей ─ добиться как можно более равномерной подачи дозируемой жидкости и исключить чрезмерно превышающие «номинал» значения давления на вершинах «пиков» пульсации.
Необходимость в установке пневмогидроаккумулятора в качестве гасителя пульсаций на напорной линии насоса-дозатора тем актуальнее, чем меньше диаметр напорного трубопровода, больше его протяженность, выше вязкость жидкости и скорость потока.
Наличие гасителя пульсаций позволяет рассчитывать трубопровод исходя из номинального значения производительности дозирования насоса-дозатора, а не с многократным запасом, учитывающим пиковые значения производительности.
Пневмогидроаккумулятор ─ гаситель пульсаций ─ поглощает часть жидкости, подаваемой дозирующим насосом при нагнетании, возвращая ее в гидросистему во время всасывания, таким образом, пусть и частично, но заполняя «пустоту» между двумя ходами дозирования.
Важно и то, что установленный в напорной линии гаситель пульсаций, предохраняя линию и дозировочный насос от всплесков давления, одновременно способствует повышению точности дозирования.
В некоторых случаях установка гасителя пульсаций может быть актуальной и на всасывающей линии. Чересчур короткий всасывающий трубопровод или небольшая высота всасывания могут стать причиной явления кавитации. Установка гасителя пульсаций в непосредственной близости от всасывающего клапана обеспечит бесперебойное поступление дозируемой жидкости к насосу.
Пневмогидроаккумуляторы «Ареопаг»
Пневмогидроаккумуляторы типа ПГА производства компании «Завод дозировочной техники «Ареопаг» отличают энергоемкость, компактность, возможность использования для широкого спектра перекачиваемых жидкостей в диапазоне температур от 40 до 100OC. В них исключено смешивание потоков дозируемой жидкой и газовой фаз, им не требуется постоянная дозаправка.
Основной параметрический ряд ПГА «Ареопаг» включает как модели без разделителя сред, так и мембранные с полным газовым объемом 0,1, 0,25, 0,6, 1,6, 2,5, 4,0, 6,3, 6,5, 10,0 дм3 и номинальным давлением (PN) 10, 16, 25, 63, 100, 160, 320 кгс/см2.
Мембраны изготавливают из резины (EPDM) и фторопласта. Прокладки ─ из фторопласта, терморасширенного графита и металла.
Изделия могут использоваться в работе с агрессивными и нейтральными средами. Они прошли необходимую сертификацию и полностью соответствуют требованиям Технического регламента Таможенного союза «О безопасности машин и оборудования» (ТР ТС 010/2011) и «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах» (ТР ТС 012/2011).