Hydraulische Accumulator

Een hydraulische accumulator is een drukvat in hydraulische systemen dat hydraulische vloeistof onder druk opslaat en deze bij behoefte weer afgeeft. Het maakt gebruik van een samendrukbaar gas, een veer of een gewicht als energieopslagmedium om drukschommelingen te compenseren, energie op te vangen of noodfuncties te waarborgen. In industriële hydraulische systemen is het een van de belangrijkste functionele componenten.

Basisprincipes en werking van hydraulische accumulatoren

Hydraulische accumulatoren fungeren als energieopslagapparaten en drukbuffers in hydraulische systemen. Ze vangen overtollige stroming op wanneer de systeemdruk stijgt en geven opgeslagen vloeistof vrij wanneer de druk daalt. Dit principe maakt het mogelijk om kortstondige vermogenspieken op te vangen zonder dat de pomp te groot hoeft te worden gedimensioneerd.

Ontwerp en werkingsprincipe

Het basisontwerp van een hydraulische accumulator bestaat uit een drukbestendig vat dat is verdeeld in twee kamers: een gaskamer en een vloeistofkamer. Een scheidingselement – dat, afhankelijk van het ontwerp, een blaas, een membraan of een zuiger kan zijn – zorgt ervoor dat het gas en de hydraulische vloeistof niet met elkaar vermengen. Stikstof wordt doorgaans als gas gebruikt, omdat het chemisch inert is en geen risico op oxidatie vormt.

Tijdens de oplaadfase drukt de stijgende systeemdruk hydraulische olie in de vloeistofkamer. Het scheidingselement trekt zich terug, het gas wordt samengeperst en de opgeslagen energie is beschikbaar als potentiële drukenergie. Tijdens de ontladingsfase zet het gas weer uit, waardoor de olie terug in de leiding wordt geduwd en zo de systeemdruk op peil blijft, zelfs wanneer de pomp geen debiet levert.

Thermodynamische principes

De compressie en expansie van het gas volgen de wetten van de thermodynamica. Tijdens langzame oplaad- en ontladingsprocessen verloopt de toestandsverandering nagenoeg isotherm, wat betekent dat de temperatuur grotendeels constant blijft. Tijdens snelle processen overheerst adiabatisch gedrag, waardoor het gas opwarmt of afkoelt. Deze verschillen beïnvloeden het daadwerkelijk bruikbare olievolume en moeten bij het ontwerp in aanmerking worden genomen.

Soorten hydraulische accumulatoren

De keuze van het ontwerp hangt af van de werkdruk, de volume-eisen, de cyclusfrequentie en de specifieke eisen van de toepassing. In de praktijk hebben vijf ontwerpen ingang gevonden.

Blaasaccumulatoren

In een blaasaccumulator fungeert een elastische rubberen blaas als scheiding tussen het gas en de vloeistof. De blaas is vooraf gevuld met stikstof en wordt tijdens het oplaadproces samengedrukt door de oliedruk. Membraanaccumulatoren worden gekenmerkt door snelle reactietijden en weinig onderhoud. Ze hebben een inhoud van ongeveer 0, 2 tot 50 liter en zijn geschikt voor werkdrukken tot 330 bar. Typische toepassingen zijn onder meer mobiele hydraulica, persen en toepassingen met intermitterende werking. De blaas is onderhevig aan veroudering en moet na ongeveer vijf tot tien jaar worden vervangen.

Membraanaccumulatoren

Membraanaccumulatoren maken gebruik van een flexibel membraan als scheidingselement, dat aan de rand van de behuizing is bevestigd. Ze zijn bijzonder compact en kostenefficiënt, maar hebben over het algemeen een kleiner volume tot ongeveer 3, 5 liter. Bedrijfsdrukken tot 350 bar zijn mogelijk. De gasvoorvuldruk mag niet hoger zijn dan 130 bar, omdat het membraan anders mechanisch overbelast raakt. Membraanaccumulatoren worden vaak gebruikt in stationaire hydraulische systemen voor pulsatiedemping en trillingsdemping.

Zuigeraccumulatoren

Zuigeraccumulatoren scheiden gas en vloeistof met behulp van een vrij bewegende zuiger. Dit ontwerp is bestand tegen de hoogste werkdrukken, die kunnen oplopen tot 700 bar, en biedt een nauwkeurige volumeregeling. Zuigeraccumulatoren zijn duurzaam en geschikt voor een groot aantal cycli, zoals die voorkomen in industriële hydraulica of offshore-toepassingen. Nadelen zijn onder meer de hogere kosten en de complexere afdichting van de zuiger, die regelmatig onderhoud vereist.

Veeraccumulatoren

Veeraccumulatoren gebruiken een mechanische veer in plaats van gas om energie op te slaan. Ze hebben geen gasvulling nodig, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen waarbij gaslekkage of -permeatie moet worden voorkomen, zoals in de voedingsindustrie. Het gebruik ervan is beperkt tot lage drukken en kleine volumes, aangezien de karakteristieke curve van de veer fysieke beperkingen oplegt.

Gewichtsaccumulatoren

Gewichtsaccumulatoren heffen een massa op om energie op te slaan. Hun voordeel ligt in de vrijwel constante druk gedurende het gehele afvoerproces, aangezien de zwaartekracht onafhankelijk van de slaghogte werkt. Vanwege hun omvang en gewicht worden ze bijna uitsluitend in grote stationaire systemen gebruikt en spelen ze een ondergeschikte rol in de moderne hydraulica.

Vergelijking van constructietypen

Toepassingen van hydraulische accumulatoren

Hydraulische accumulatoren vervullen verschillende functies in hydraulische systemen; hoewel deze functies elkaar tot op zekere hoogte kunnen overlappen, stelt elke functie andere eisen aan het ontwerp.

Pulsatiedemping en opvangen van drukstoten

Zuigerpompen genereren pulserende debieten die leiden tot drukschommelingen en mechanische belasting in het systeem. Een hydraulische accumulator die in de buurt van de pomp is geïnstalleerd, dempt deze pulsaties en beschermt leidingen, kleppen en aansluitingen tegen materiaalmoeheid. Voor deze toepassing zijn kleine reservoirvolumes van 0, 5 tot 5 liter vaak voldoende. Ook plotselinge drukstoten, zoals die worden veroorzaakt door het snel sluiten van kleppen, worden door het reservoir opgevangen, waardoor schade aan het systeem wordt voorkomen.

Energieopslag en debietcompensatie

In machines met cyclische bedrijfspatronen, zoals persen of spuitgietmachines, treden kortstondige vermogenspieken op die de vereiste stroomsnelheid ver boven de gemiddelde doorstroomcapaciteit van de pomp doen uitstijgen. Een hydraulische accumulator vangt deze pieken op, zodat de pomp alleen hoeft te worden gedimensioneerd voor de gemiddelde vraag. Dit vermindert het geïnstalleerde vermogen, verlaagt het energieverbruik en minimaliseert de warmteontwikkeling in het systeem.

Noodstroomvoorziening en noodbediening

Als de pomp uitvalt – bijvoorbeeld door een stroomstoring of schade aan de apparatuur – moet in veel systemen een veiligheidsfunctie worden uitgevoerd: een kraan moet worden neergelaten, een koppeling moet worden ontkoppeld of een klep moet in de veilige stand worden gezet. Een hydraulische accumulator slaat de benodigde drukenergie op en maakt noodbedrijf mogelijk, zelfs als de pomp niet draait. Het ontwerp is gebaseerd op de volume-eisen van de noodfunctie en de toegestane drukval tijdens het afvoeren.

Compensatie van lekkage en drukhandhaving

Bij langdurige inactiviteit verliezen hydraulische systemen druk als gevolg van interne lekkages. Een hydraulische accumulator compenseert deze verliezen en handhaaft de druk in specifieke circuits zonder dat de pomp de druk continu hoeft aan te vullen. Dit bespaart energie en vermindert de slijtage van de pomp.

Ontwerp- en bedrijfsparameters

Het ontwerp van een hydraulische accumulator is afhankelijk van verschillende parameters die, in combinatie, het bruikbare olievolume en het drukprofiel bepalen.

Gasvoorlaaddruk en drukverhoudingen

De gasvoorlaaddruk – dat wil zeggen de druk van de stikstof wanneer de accumulator ontlast is – is een belangrijke ontwerpparameter. Deze moet lager zijn dan de minimale werkdruk; anders kan de accumulator geen olie opnemen. De verhouding tussen de maximale werkdruk en de voorlaaddruk beïnvloedt de efficiëntie van de accumulator. Bij accumulatoren van het blaastype mag deze verhouding niet hoger zijn dan 4: 1 om de blaas te beschermen tegen mechanische overbelasting. Accumulatoren van het membraantype kunnen verhoudingen tot ongeveer 8: 1 aan, terwijl accumulatoren van het zuigertype nog hogere drukverhoudingen toelaten.

Temperatuur en vloeistofcompatibiliteit

Het toegestane temperatuurbereik voor hydraulische accumulatoren ligt doorgaans tussen -20 en +80 graden Celsius, maar kan met speciale afdichtingsmaterialen worden uitgebreid tot -50 tot +130 graden Celsius. De temperatuur beïnvloedt de gasdruk: naarmate de temperatuur stijgt, neemt de voorlaaddruk toe; naarmate de temperatuur daalt, neemt deze af. Ontwerpers moeten tijdens de ontwerpfase rekening houden met dit effect, met name bij buitentoepassingen of toepassingen in verwarmde procesomgevingen. De compatibiliteit met de gebruikte vloeistof – zoals HLP-olie, HFC-vloeistof of HFD-vloeistof – moet bij de fabrikant worden bevestigd.

Normen en testvereisten

Hydraulische accumulatoren zijn drukvaten en zijn daarom onderworpen aan strenge wettelijke eisen met betrekking tot zowel hun ontwerp als hun werking.

DIN EN 14359 en de Richtlijn drukapparatuur

DIN EN 14359 regelt het ontwerp, de keuring en de dimensionering van hydraulische accumulatoren. De norm definieert eisen voor veiligheidsvoorzieningen zoals breekplaten en veiligheidskleppen, evenals voor de gebruiksaanwijzing. De Europese Richtlijn drukapparatuur 2014/68/EU deelt hydraulische accumulatoren in de categorieën I tot en met IV in op basis van volume en werkdruk. Accumulatoren in categorie II en hoger moeten worden beoordeeld op conformiteit door een aangemelde instantie en zijn voorzien van de CE-markering. Accumulatoren van categorie I die permanent in een machine zijn geïnstalleerd, vallen niet onder het toepassingsgebied van de richtlijn.

Verordening inzake bedrijfsveiligheid en DGUV-voorschriften

In Duitsland verplicht de Verordening inzake industriële veiligheid (BetrSichV) exploitanten om hydraulische accumulatoren regelmatig te laten keuren. DGUV-regel 113-020 specificeert de eisen voor hydraulische systemen. Accumulatoren met een gasvolume van meer dan 10 liter worden beschouwd als systemen die toezicht vereisen en moeten worden geïnspecteerd door een erkende keuringsinstantie zoals TÜV of DEKRA. Voor accumulatoren met een gasvolume tussen 1 en 10 liter is inspectie door een gekwalificeerde persoon voldoende.

Inspectie-intervallen

De inspectie-intervallen zijn vastgelegd in de BetrSichV. De interne inspectie moet ten minste om de vijf jaar worden uitgevoerd en omvat het controleren op corrosie, scheuren en vervormingen met behulp van penetrant-, magnetisch-deeltjes- of ultrasone testmethoden. De druktest moet ten minste om de tien jaar worden uitgevoerd, waarbij de opslagtank onder druk wordt gezet tot 1, 3 tot 1, 4 keer de toegestane werkdruk. Onder bepaalde voorwaarden kan dit interval worden verlengd tot 15 jaar. Alternatieve methoden, zoals de ID-E-methode, maken inspecties mogelijk zonder demontage en zonder stilstand van het systeem.

Onderhoud en service

De betrouwbaarheid van een hydraulische accumulator hangt grotendeels af van regelmatig onderhoud. Verwaarlozing op dit gebied kan leiden tot een geleidelijk verlies aan prestaties of, in het ergste geval, tot plotselinge uitval.

Gasverlies en permeatie

Elke met gas gevulde hydraulische accumulator verliest na verloop van tijd een deel van zijn gasinhoud door permeatie – dat wil zeggen de diffusie van gasmoleculen door het scheidingselement. Dit effect is sterker bij blaas- en membraanaccumulatoren dan bij zuigeraccumulatoren met hun metalen afdichtingen. Een daling van de voorvuldruk vermindert het bruikbare olievolume en verslechtert de responskarakteristieken. Regelmatige controles van de gasdruk – ongeveer om de zes maanden – worden daarom aanbevolen. Als de voorlaaddruk daalt, moet de accumulator opnieuw worden gevuld met stikstof. Het gebruik van zuurstof of perslucht is ten strengste verboden.

Tekenen van slijtage

Bij blaasaccumulatoren wordt slijtage meestal aangegeven door een broze of gebarsten blaas. Membranen kunnen scheuren als gevolg van overdruk of te hoge drukverhoudingen. Bij zuigeraccumulatoren zijn de afdichtingen en de zuigerloopbaan de kritieke slijtagepunten. Krassen of putjes op de zuigerloopbaan leiden tot lekkage en verhoogde wrijving. Regelmatige olieanalyses geven aanwijzingen voor verhoogde slijtage in de accumulator, zoals verhoogde deeltjesconcentraties of gasbellen in de vloeistof.

Documentatie en risicobeoordeling

Als onderdeel van een risicobeoordeling moet de exploitant het type, de omvang en de intervallen van de inspecties specificeren. De in de BetrSichV vastgelegde maximaal toegestane inspectie-intervallen mogen niet worden overschreden. Alle testresultaten moeten schriftelijk worden vastgelegd. Indien veiligheidsgerelateerde defecten worden vastgesteld, mag de hydraulische accumulator niet worden gebruikt totdat het defect is verholpen. De toezichthoudende instantie kan boetes opleggen indien de inspectie-intervallen worden overschreden.

Ontwikkelingstrends

De ontwikkelingen op het gebied van hydraulische accumulatoren zijn gericht op een hoger rendement, compactere ontwerpen en slimmere monitoring. Sensoren die de gasdruk, olietemperatuur en het vulniveau direct bij de accumulator meten, worden steeds vaker in moderne systemen geïntegreerd en gekoppeld aan hogere besturingssystemen. Dit maakt onderhoud op basis van de toestand mogelijk in plaats van vaste inspectie-intervallen. Tegelijkertijd verruimen nieuwe afdichtingsmaterialen en coatings de bedrijfsgrenzen voor hoge temperaturen en agressieve vloeistoffen. In de mobiele hydraulica wint energieterugwinning aan belang: hydraulische accumulatoren slaan remenergie op en stellen deze beschikbaar voor de volgende versnelling, wat het brandstofverbruik en de CO₂-uitstoot vermindert.