Acumulador hidráulico

Un acumulador hidráulico es un recipiente a presión utilizado en los sistemas hidráulicos que almacena fluido hidráulico a presión y lo libera cuando es necesario. Utiliza un gas compresible, un resorte o un peso como medio de almacenamiento de energía para compensar las fluctuaciones de presión, amortiguar la energía o garantizar el funcionamiento en situaciones de emergencia. En los sistemas hidráulicos industriales, es uno de los componentes funcionales clave.

Conceptos básicos y funcionamiento de los acumuladores hidráulicos

Los acumuladores hidráulicos actúan como dispositivos de almacenamiento de energía y amortiguadores de presión en los sistemas hidráulicos. Absorben el exceso de caudal cuando aumenta la presión del sistema y liberan el fluido almacenado cuando la presión desciende. Este principio permite cubrir picos de potencia a corto plazo sin necesidad de sobredimensionar la bomba.

Diseño y principio de funcionamiento

El diseño básico de un acumulador hidráulico consiste en un recipiente resistente a la presión dividido en dos cámaras: una cámara de gas y una cámara de fluido. Un separador —que, según el diseño, puede ser una vejiga, un diafragma o un pistón— garantiza que el gas y el fluido hidráulico no se mezclen. Normalmente se utiliza nitrógeno como gas, ya que es químicamente inerte y no presenta riesgo de oxidación.

Durante la fase de carga, el aumento de la presión del sistema empuja el aceite hidráulico hacia la cámara de fluido. El elemento separador se retrae, el gas se comprime y la energía almacenada queda disponible en forma de energía potencial de presión. Durante la fase de descarga, el gas se expande de nuevo, empujando el aceite de vuelta a la tubería y manteniendo así la presión del sistema incluso cuando la bomba no suministra caudal alguno.

Principios termodinámicos

La compresión y la expansión del gas siguen las leyes de la termodinámica. Durante los procesos lentos de carga y descarga, el cambio de estado es aproximadamente isotérmico, lo que significa que la temperatura se mantiene prácticamente constante. Durante los procesos rápidos, predomina el comportamiento adiabático, lo que provoca que el gas se caliente o se enfríe. Estas diferencias afectan al volumen real de aceite utilizable y deben tenerse en cuenta durante el diseño.

Tipos de acumuladores hidráulicos

La elección del diseño depende de la presión de funcionamiento, los requisitos de volumen, la frecuencia de los ciclos y los requisitos específicos de la aplicación. En la práctica se han consolidado cinco diseños.

Acumuladores de vejiga

En un acumulador de vejiga, una vejiga elástica de caucho actúa como separador entre el gas y el líquido. La vejiga viene precargada con nitrógeno y es comprimida por la presión del aceite durante el proceso de carga. Los acumuladores de diafragma se caracterizan por sus rápidos tiempos de respuesta y su bajo mantenimiento. Cubren volúmenes que oscilan entre aproximadamente 0, 2 y 50 litros y son adecuados para presiones de funcionamiento de hasta 330 bar. Entre sus aplicaciones típicas se incluyen la hidráulica móvil, las prensas y las aplicaciones con funcionamiento intermitente. La vejiga está sujeta a envejecimiento y debe sustituirse al cabo de unos cinco a diez años.

Acumuladores de diafragma

Los acumuladores de diafragma utilizan un diafragma flexible como elemento separador, que se fija al borde de la carcasa. Son especialmente compactos y económicos, pero suelen abarcar volúmenes más reducidos, de hasta unos 3, 5 litros. Permiten presiones de funcionamiento de hasta 350 bar. La presión de precarga de gas no debe superar los 130 bar, ya que, de lo contrario, el diafragma sufriría una sobrecarga mecánica. Los acumuladores de diafragma se utilizan con frecuencia en sistemas hidráulicos fijos para la amortiguación de pulsaciones y vibraciones.

Acumuladores de pistón

Los acumuladores de pistón separan el gas y el fluido mediante un pistón de movimiento libre. Este diseño puede soportar las presiones de funcionamiento más elevadas, que pueden alcanzar hasta los 700 bar, y ofrece un control preciso del volumen. Los acumuladores de pistón son duraderos y adecuados para un elevado número de ciclos, como los que se dan en la hidráulica industrial o en aplicaciones marítimas. Entre sus desventajas se encuentran los costes más elevados y el sellado más complejo del pistón, que requiere un mantenimiento periódico.

Acumuladores de resorte

Los acumuladores de resorte utilizan un resorte mecánico en lugar de gas para almacenar energía. No requieren una carga de gas, lo que los hace adecuados para aplicaciones en las que debe evitarse la fuga o la permeación de gas, como en la industria alimentaria. Su uso se limita a bajas presiones y pequeños volúmenes, ya que la curva característica del resorte impone límites físicos.

Acumuladores de peso

Los acumuladores de peso elevan una masa para almacenar energía. Su ventaja radica en la presión casi constante a lo largo de todo el proceso de descarga, ya que la fuerza de la gravedad actúa independientemente de la altura de la carrera. Debido a su tamaño y peso, se utilizan casi exclusivamente en grandes sistemas fijos y desempeñan un papel secundario en la hidráulica moderna.

Comparación de tipos de diseño

Aplicaciones de los acumuladores hidráulicos

Los acumuladores hidráulicos cumplen varias funciones en los sistemas hidráulicos; aunque estas funciones pueden solaparse en cierta medida, cada una de ellas plantea requisitos de diseño distintos.

Amortiguación de pulsaciones y absorción de picos de presión

Las bombas de pistón generan caudales pulsantes que provocan fluctuaciones de presión y tensiones mecánicas en el sistema. Un acumulador hidráulico instalado cerca de la bomba suaviza estas pulsaciones y protege las tuberías, las válvulas y las conexiones contra la fatiga del material. Para esta aplicación, suelen ser suficientes pequeños volúmenes de depósito, de entre 0, 5 y 5 litros. Los picos de presión repentinos, como los provocados por el cierre rápido de las válvulas, también son amortiguados por el depósito, lo que evita daños en el sistema.

Almacenamiento de energía y compensación del caudal

En máquinas con patrones de funcionamiento cíclicos, como prensas o máquinas de moldeo por inyección, se producen picos de potencia de corta duración que elevan la demanda de caudal muy por encima de la capacidad media de la bomba. Un acumulador hidráulico cubre estos picos, de modo que la bomba solo tiene que dimensionarse para la demanda media. Esto reduce la potencia instalada, disminuye el consumo de energía y minimiza la generación de calor en el sistema.

Suministro de energía de emergencia y accionamiento de emergencia

Si la bomba falla —por ejemplo, debido a un corte de corriente o a un daño en el equipo—, muchos sistemas requieren que se ejecute una función de seguridad: hay que bajar una grúa, desembragar un embrague o colocar una válvula en la posición de seguridad. Un acumulador hidráulico almacena la energía de presión necesaria y permite el funcionamiento de emergencia incluso sin que la bomba esté en marcha. El diseño se basa en los requisitos de volumen de la función de emergencia y en la caída de presión admisible durante la descarga.

Compensación de fugas y mantenimiento de la presión

Durante períodos prolongados de inactividad, los sistemas hidráulicos pierden presión debido a fugas internas. Un acumulador hidráulico compensa estas pérdidas y mantiene la presión en circuitos específicos sin que la bomba tenga que reponerla continuamente. Esto ahorra energía y reduce el desgaste de la bomba.

Parámetros de diseño y funcionamiento

El diseño de un acumulador hidráulico depende de varios parámetros que, en combinación, determinan el volumen de aceite utilizable y el perfil de presión.

Presión de precarga de gas y relaciones de presión

La presión de precarga de gas —es decir, la presión del nitrógeno cuando el acumulador está descargado— es un parámetro de diseño clave. Debe ser inferior a la presión mínima de funcionamiento; de lo contrario, el acumulador no puede admitir aceite. La relación entre la presión máxima de funcionamiento y la presión de precarga afecta a la eficiencia del acumulador. En el caso de los acumuladores de vejiga, esta relación no debe superar 4: 1 para proteger la vejiga de una sobrecarga mecánica. Los acumuladores de diafragma pueden soportar relaciones de hasta aproximadamente 8: 1, mientras que los de pistón admiten relaciones de presión aún mayores.

Temperatura y compatibilidad con los fluidos

El rango de temperatura admisible para los acumuladores hidráulicos suele estar entre -20 y +80 grados Celsius, pero puede ampliarse a entre -50 y +130 grados Celsius con materiales de sellado especiales. La temperatura afecta a la presión del gas: a medida que la temperatura aumenta, la presión de precarga aumenta; a medida que la temperatura desciende, disminuye. Los diseñadores deben tener en cuenta este efecto durante la fase de diseño, especialmente en aplicaciones al aire libre o en entornos de proceso con calefacción. La compatibilidad con el fluido utilizado —como el aceite HLP, el fluido HFC o el fluido HFD— debe confirmarse con el fabricante.

Normas y requisitos de ensayo

Los acumuladores hidráulicos son recipientes a presión y, por lo tanto, están sujetos a estrictos requisitos legales tanto en lo que respecta a su diseño como a su funcionamiento.

La norma DIN EN 14359 y la Directiva sobre equipos a presión

La norma DIN EN 14359 regula el diseño, los ensayos y el dimensionamiento de los acumuladores hidráulicos. Define los requisitos para los equipos de seguridad, como los discos de ruptura y las válvulas de seguridad, así como para las instrucciones de uso. La Directiva europea sobre equipos a presión 2014/68/UE clasifica los acumuladores hidráulicos en las categorías I a IV en función del volumen y la presión de funcionamiento. Los acumuladores de la categoría II y superiores requieren una evaluación de conformidad por parte de un organismo notificado y deben llevar el marcado CE. Los acumuladores de la categoría I que están instalados de forma permanente en una máquina no entran en el ámbito de aplicación de la directiva.

Ordenanza sobre seguridad operativa y normativas de la DGUV

En Alemania, el Reglamento de Seguridad Industrial (BetrSichV) exige a los operadores que sometan los acumuladores hidráulicos a inspecciones periódicas. La norma DGUV 113-020 especifica los requisitos para los sistemas hidráulicos. Los acumuladores con un volumen de gas superior a 10 litros se consideran sistemas que requieren supervisión y deben ser inspeccionados por un organismo de inspección autorizado, como TÜV o DEKRA. En el caso de los acumuladores con un volumen de gas comprendido entre 1 y 10 litros, basta con que la inspección la realice una persona cualificada.

Intervalos de inspección

Los intervalos de inspección se especifican en el BetrSichV. La inspección interna debe realizarse al menos cada cinco años e incluye la comprobación de corrosión, grietas y deformaciones mediante métodos de ensayo con penetrante, partículas magnéticas u ultrasonidos. La prueba de presión debe realizarse al menos cada diez años, durante la cual el depósito de almacenamiento se presuriza a entre 1, 3 y 1, 4 veces la presión de funcionamiento admisible. En determinadas condiciones, este intervalo puede ampliarse a 15 años. Métodos alternativos, como el método ID-E, permiten realizar inspecciones sin desmontaje y sin interrupción del funcionamiento del sistema.

Mantenimiento y revisión

La fiabilidad de un acumulador hidráulico depende en gran medida de un mantenimiento regular. Descuidar este aspecto puede provocar una pérdida gradual de rendimiento o, en el peor de los casos, un fallo repentino.

Pérdida de gas y permeación

Todos los acumuladores hidráulicos llenos de gas pierden parte de su contenido de gas con el tiempo debido a la permeación, es decir, la difusión de moléculas de gas a través del elemento separador. Este efecto es más pronunciado en los acumuladores de vejiga y de diafragma que en los acumuladores de pistón con juntas metálicas. Una caída de la presión de precarga reduce el volumen de aceite utilizable y deteriora las características de respuesta. Por lo tanto, se recomienda comprobar periódicamente la presión del gas, aproximadamente cada seis meses. Si la presión de precarga desciende, hay que rellenar el acumulador con nitrógeno. Queda estrictamente prohibido el uso de oxígeno o aire comprimido.

Signos de desgaste

En los acumuladores de vejiga, el desgaste suele manifestarse mediante una vejiga quebradiza o agrietada. Los diafragmas pueden romperse debido a una sobrepresión o a relaciones de presión excesivas. En los acumuladores de pistón, las juntas y la pista de rodadura del pistón son los puntos críticos de desgaste. Las rayaduras o picaduras en la pista de rodadura del pistón provocan fugas y un aumento de la fricción. El análisis periódico del aceite proporciona indicios de un mayor desgaste en el acumulador, como concentraciones elevadas de partículas o burbujas de gas en el fluido.

Documentación y evaluación de riesgos

Como parte de una evaluación de riesgos, el operador debe especificar el tipo, el alcance y la periodicidad de las inspecciones. No deben superarse los intervalos máximos de inspección permitidos especificados en la BetrSichV. Todos los resultados de las pruebas deben documentarse por escrito. Si se detectan defectos relacionados con la seguridad, el acumulador hidráulico no debe ponerse en funcionamiento hasta que se haya subsanado el defecto. La autoridad reguladora puede imponer multas si se superan los intervalos de inspección.

Tendencias de desarrollo

Los avances en los acumuladores hidráulicos se orientan hacia una mayor eficiencia, diseños más compactos y una monitorización más inteligente. Cada vez es más habitual integrar en los sistemas modernos sensores que miden la presión del gas, la temperatura del aceite y el nivel de llenado directamente en el acumulador, y conectarlos a sistemas de control de nivel superior. Esto permite un mantenimiento basado en el estado de la instalación, en lugar de intervalos de inspección rígidos. Al mismo tiempo, los nuevos materiales de sellado y recubrimientos están ampliando los límites de funcionamiento para altas temperaturas y fluidos agresivos. En la hidráulica móvil, la recuperación de energía está cobrando importancia: los acumuladores hidráulicos almacenan la energía de frenado y la ponen a disposición para la siguiente aceleración, lo que reduce el consumo de combustible y las emisiones de CO₂.