Accumulatore idraulico

Un accumulatore idraulico è un recipiente a pressione presente nei sistemi idraulici che immagazzina il fluido idraulico sotto pressione e lo rilascia quando necessario. Utilizza un gas comprimibile, una molla o un peso come mezzo di accumulo di energia per compensare le fluttuazioni di pressione, fungere da tampone energetico o garantire il funzionamento in caso di emergenza. Nei sistemi idraulici industriali, è uno dei componenti funzionali chiave.

Nozioni di base e funzionamento degli accumulatori idraulici

Gli accumulatori idraulici fungono da dispositivi di accumulo di energia e da tamponi di pressione nei sistemi idraulici. Assorbono la portata in eccesso quando la pressione del sistema aumenta e rilasciano il fluido immagazzinato quando la pressione cala. Questo principio consente di far fronte a picchi di potenza di breve durata senza dover sovradimensionare la pompa.

Progettazione e principio di funzionamento

La struttura di base di un accumulatore idraulico consiste in un recipiente resistente alla pressione suddiviso in due camere: una camera a gas e una camera a fluido. Un separatore — che, a seconda del modello, può essere una camera d’aria, un diaframma o un pistone — garantisce che il gas e il fluido idraulico non si mescolino. Come gas viene solitamente utilizzato l’azoto, poiché è chimicamente inerte e non presenta alcun rischio di ossidazione.

Durante la fase di carica, l’aumento della pressione dell’impianto spinge l’olio idraulico nella camera del fluido. L’elemento separatore si ritrae, il gas si comprime e l’energia immagazzinata è disponibile sotto forma di energia potenziale di pressione. Durante la fase di scarica, il gas si espande nuovamente, spingendo l’olio di ritorno nella linea e mantenendo così la pressione dell’impianto anche quando la pompa non eroga alcuna portata.

Principi termodinamici

La compressione e l’espansione del gas seguono le leggi della termodinamica. Durante i processi lenti di carica e scarica, il cambiamento di stato è approssimativamente isotermico, il che significa che la temperatura rimane sostanzialmente costante. Durante i processi rapidi, prevale il comportamento adiabatico, che provoca il riscaldamento o il raffreddamento del gas. Queste differenze influenzano il volume effettivo di olio utilizzabile e devono essere prese in considerazione in fase di progettazione.

Tipi di accumulatori idraulici

La scelta del modello dipende dalla pressione di esercizio, dai requisiti di volume, dalla frequenza di ciclo e dai requisiti specifici dell’applicazione. Cinque modelli si sono affermati nella pratica.

Accumulatori a vescica

In un accumulatore a membrana, una membrana elastica in gomma funge da separatore tra il gas e il liquido. La membrana è pre-riempita con azoto e viene compressa dalla pressione dell’olio durante il processo di carica. Gli accumulatori a membrana sono caratterizzati da tempi di risposta rapidi e bassa manutenzione. Coprono volumi compresi tra circa 0, 2 e 50 litri e sono adatti a pressioni di esercizio fino a 330 bar. Le applicazioni tipiche includono l’idraulica mobile, le presse e le applicazioni con funzionamento intermittente. La camera d’aria è soggetta a invecchiamento e dovrebbe essere sostituita dopo circa cinque-dieci anni.

Accumulatori a membrana

Gli accumulatori a membrana utilizzano una membrana flessibile come elemento di separazione, fissata al bordo dell’alloggiamento. Sono particolarmente compatti ed economici, ma in genere coprono volumi più ridotti, fino a circa 3, 5 litri. Sono possibili pressioni di esercizio fino a 350 bar. La pressione di precarica del gas non deve superare i 130 bar, poiché altrimenti la membrana risulterebbe sottoposta a sovraccarico meccanico. Gli accumulatori a membrana sono spesso utilizzati negli impianti idraulici fissi per lo smorzamento delle pulsazioni e delle vibrazioni.

Accumulatori a pistone

Gli accumulatori a pistone separano il gas dal fluido tramite un pistone che si muove liberamente. Questa struttura è in grado di sopportare le pressioni di esercizio più elevate, che possono raggiungere i 700 bar, e offre un controllo preciso del volume. Gli accumulatori a pistone sono durevoli e adatti a un numero elevato di cicli, come quelli che si riscontrano nell’idraulica industriale o nelle applicazioni offshore. Tra gli svantaggi figurano i costi più elevati e la maggiore complessità della tenuta del pistone, che richiede una manutenzione regolare.

Accumulatori a molla

Gli accumulatori a molla utilizzano una molla meccanica al posto del gas per immagazzinare energia. Non richiedono una carica di gas, il che li rende adatti ad applicazioni in cui è necessario impedire perdite o permeazione di gas, come nell’industria alimentare. Il loro utilizzo è limitato a basse pressioni e piccoli volumi, poiché la curva caratteristica della molla impone dei limiti fisici.

Accumulatori a peso

Gli accumulatori a massa sollevano una massa per immagazzinare energia. Il loro vantaggio risiede nella pressione pressoché costante durante l’intero processo di scarica, poiché la forza di gravità agisce indipendentemente dall’altezza della corsa. A causa delle loro dimensioni e del loro peso, vengono utilizzati quasi esclusivamente in grandi sistemi fissi e svolgono un ruolo secondario nell’idraulica moderna.

Confronto tra i tipi di progettazione

Applicazioni degli accumulatori idraulici

Gli accumulatori idraulici svolgono diverse funzioni nei sistemi idraulici; sebbene tali funzioni possano sovrapporsi in una certa misura, ciascuna di esse pone requisiti diversi in termini di progettazione.

Smorzamento delle pulsazioni e assorbimento dei picchi di pressione

Le pompe a pistoni generano portate pulsanti che causano fluttuazioni di pressione e sollecitazioni meccaniche nel sistema. Un accumulatore idraulico installato in prossimità della pompa smussa queste pulsazioni e protegge tubazioni, valvole e raccordi dall’affaticamento dei materiali. Per questa applicazione, sono spesso sufficienti piccoli volumi di serbatoio compresi tra 0, 5 e 5 litri. Anche i picchi di pressione improvvisi, come quelli causati dalla rapida chiusura delle valvole, vengono smorzati dal serbatoio, prevenendo così danni all’impianto.

Accumulo di energia e compensazione della portata

Nelle macchine con cicli di funzionamento, come le presse o le macchine per lo stampaggio a iniezione, si verificano picchi di potenza di breve durata che fanno lievitare il fabbisogno di portata ben oltre la capacità media della pompa. Un accumulatore idraulico copre questi picchi, quindi la pompa deve essere dimensionata solo in base alla domanda media. Ciò riduce la potenza installata, abbassa il consumo energetico e minimizza la generazione di calore nell’impianto.

Alimentazione di emergenza e azionamento di emergenza

In caso di guasto della pompa — ad esempio a causa di un’interruzione di corrente o di un danno all’apparecchiatura — molti sistemi richiedono l’attivazione di una funzione di sicurezza: una gru deve essere abbassata, una frizione disinnestata o una valvola spostata in posizione di sicurezza. Un accumulatore idraulico immagazzina l’energia di pressione necessaria e consente il funzionamento di emergenza anche senza che la pompa sia in funzione. La progettazione si basa sui requisiti di volume della funzione di emergenza e sulla caduta di pressione ammissibile durante lo scarico.

Compensazione delle perdite e mantenimento della pressione

Durante lunghi periodi di inattività, i sistemi idraulici perdono pressione a causa di perdite interne. Un accumulatore idraulico compensa queste perdite e mantiene la pressione in circuiti specifici senza che la pompa debba reintegrare continuamente la pressione. Ciò consente di risparmiare energia e ridurre l’usura della pompa.

Parametri di progettazione e funzionamento

La progettazione di un accumulatore idraulico dipende da diversi parametri che, combinati tra loro, determinano il volume d’olio utilizzabile e il profilo di pressione.

Pressione di precarica del gas e rapporti di pressione

La pressione di precarica del gas — ovvero la pressione dell’azoto quando l’accumulatore è scarico — è un parametro di progettazione fondamentale. Deve essere inferiore alla pressione minima di esercizio; in caso contrario, l’accumulatore non può accogliere l’olio. Il rapporto tra la pressione massima di esercizio e la pressione di precarica influisce sull’efficienza dell’accumulatore. Per gli accumulatori a sacca, questo rapporto non dovrebbe superare 4: 1 per proteggere la sacca dal sovraccarico meccanico. Gli accumulatori a diaframma possono gestire rapporti fino a circa 8: 1, mentre quelli a pistone consentono rapporti di pressione ancora più elevati.

Temperatura e compatibilità con i fluidi

L’intervallo di temperatura ammissibile per gli accumulatori idraulici è tipicamente compreso tra -20 e +80 gradi Celsius, ma può essere esteso da -50 a +130 gradi Celsius con materiali di tenuta speciali. La temperatura influisce sulla pressione del gas: all’aumentare della temperatura, la pressione di precarica aumenta; al diminuire della temperatura, essa diminuisce. I progettisti devono tenere conto di questo effetto durante la fase di progettazione, in particolare per le applicazioni all’aperto o in ambienti di processo riscaldati. La compatibilità con il fluido utilizzato — come l’olio HLP, il fluido HFC o il fluido HFD — deve essere confermata con il produttore.

Norme e requisiti di prova

Gli accumulatori idraulici sono recipienti a pressione e sono pertanto soggetti a severi requisiti normativi sia per quanto riguarda la loro progettazione che il loro funzionamento.

La norma DIN EN 14359 e la Direttiva sulle attrezzature a pressione

La norma DIN EN 14359 disciplina la progettazione, le prove e il dimensionamento degli accumulatori idraulici. Definisce i requisiti per i dispositivi di sicurezza, quali i dischi di rottura e le valvole di sicurezza, nonché per le istruzioni per l’uso. La Direttiva europea sulle attrezzature a pressione 2014/68/UE classifica gli accumulatori idraulici nelle Categorie da I a IV in base al volume e alla pressione di esercizio. Gli accumulatori della categoria II e superiori richiedono una valutazione di conformità da parte di un organismo notificato e recano il marchio CE. Gli accumulatori della categoria I installati in modo permanente in una macchina non rientrano nel campo di applicazione della direttiva.

Ordinanza sulla sicurezza operativa e regolamenti DGUV

In Germania, il Regolamento sulla sicurezza industriale (BetrSichV) impone agli operatori di far ispezionare regolarmente gli accumulatori idraulici. La norma DGUV 113-020 specifica i requisiti per gli impianti idraulici. Gli accumulatori con un volume di gas superiore a 10 litri sono considerati sistemi che richiedono un monitoraggio e devono essere ispezionati da un ente di controllo autorizzato, come il TÜV o la DEKRA. Per gli accumulatori con un volume di gas compreso tra 1 e 10 litri, è sufficiente l’ispezione da parte di una persona qualificata.

Intervalli di ispezione

Gli intervalli di ispezione sono specificati nel BetrSichV. L’ispezione interna deve essere eseguita almeno ogni cinque anni e comprende la verifica della presenza di corrosione, crepe e deformazioni mediante metodi di controllo con liquidi penetranti, particelle magnetiche o ultrasuoni. La prova di pressione deve essere eseguita almeno ogni dieci anni; durante tale prova, il serbatoio di stoccaggio viene pressurizzato a un valore compreso tra 1, 3 e 1, 4 volte la pressione di esercizio ammissibile. A determinate condizioni, tale intervallo può essere esteso a 15 anni. Metodi alternativi, come il metodo ID-E, consentono di effettuare ispezioni senza smontaggio e senza tempi di inattività dell’impianto.

Manutenzione e assistenza

L’affidabilità di un accumulatore idraulico dipende in gran parte da una manutenzione regolare. La negligenza in questo ambito può portare a una graduale perdita di prestazioni o, nel peggiore dei casi, a un guasto improvviso.

Perdita di gas e permeazione

Ogni accumulatore idraulico riempito di gas perde parte del proprio contenuto di gas nel tempo a causa della permeazione, ovvero la diffusione delle molecole di gas attraverso l’elemento separatore. Questo effetto è più marcato negli accumulatori a vescica e a membrana rispetto a quelli a pistone, dotati di guarnizioni metalliche. Un calo della pressione di precarica riduce il volume d’olio utilizzabile e compromette le caratteristiche di risposta. Si raccomanda pertanto di effettuare controlli regolari della pressione del gas, circa ogni sei mesi. Se la pressione di precarica diminuisce, l’accumulatore deve essere riempito nuovamente con azoto. L’uso di ossigeno o aria compressa è severamente vietato.

Segni di usura

Negli accumulatori a membrana, l’usura è solitamente indicata da una membrana fragile o incrinata. I diaframmi possono lacerarsi a causa di sovrapressione o rapporti di pressione eccessivi. Negli accumulatori a pistone, le guarnizioni e la pista di scorrimento del pistone sono i punti critici di usura. Segni di rigatura o corrosione puntiforme sulla pista di scorrimento del pistone causano perdite e un aumento dell’attrito. Un’analisi regolare dell’olio fornisce indicazioni di un aumento dell’usura all’interno dell’accumulatore, come elevate concentrazioni di particelle o bolle di gas nel fluido.

Documentazione e valutazione dei rischi

Nell’ambito di una valutazione dei rischi, l’operatore deve specificare il tipo, l’ambito e gli intervalli delle ispezioni. Gli intervalli massimi consentiti per le ispezioni specificati nel BetrSichV non devono essere superati. Tutti i risultati delle prove devono essere documentati per iscritto. Qualora vengano individuati difetti rilevanti per la sicurezza, l’accumulatore idraulico non deve essere utilizzato fino a quando il difetto non sia stato risolto. L’autorità di regolamentazione può infliggere sanzioni in caso di superamento degli intervalli di ispezione.

Tendenze di sviluppo

Gli sviluppi nel campo degli accumulatori idraulici puntano verso una maggiore efficienza, design più compatti e un monitoraggio più intelligente. I sensori che misurano la pressione del gas, la temperatura dell’olio e il livello di riempimento direttamente sull’accumulatore vengono sempre più integrati nei sistemi moderni e collegati a sistemi di controllo di livello superiore. Ciò consente una manutenzione basata sulle condizioni di esercizio anziché su rigidi intervalli di ispezione. Allo stesso tempo, nuovi materiali di tenuta e rivestimenti stanno ampliando i limiti operativi per le alte temperature e i fluidi aggressivi. Nell’idraulica mobile, il recupero di energia sta acquisendo importanza: gli accumulatori idraulici immagazzinano l’energia di frenata e la rendono disponibile per la successiva accelerazione, riducendo così il consumo di carburante e le emissioni di CO₂.