Funzionamento, Vantaggi e Svantaggi dei Circuiti Idraulici Aperti

Nelle foto d’epoca di vecchie officine, in bianco e nero o seppiate, il manutentore, con in mano l’immancabile straccio ed un bell’oliatore, è intento ad accudire il proprio macchinario lubrificando i vari meccanismi. Poi la tecnica ci ha dato materiali migliori, elettronica ed informatica, l’olio però è rimasto sempre al centro della meccanica, attore insostituibile: possiamo senza dubbi affermare che l’intera industria moderna poggia su un film di olio, non più spesso di 10 micron.

L’olio, oltre che lubrificare, viene utilizzare per trasferire energia e quindi muovere cilindri, motori, ruote, interagendo con tutte le parti di un circuito. La tribologia è la disciplina che studia l’attrito, la lubrificazione e l’usura di superfici a contatto e in moto relativo. Essa è inerente quindi a tutti quei processi produttivi che utilizzano la trasmissione dell’energia: le forme più comunemente usate sono la meccanica, la pneumatica, l’idraulica e quella elettrica. Queste forme di energia presentano caratteristiche peculiari con relativi vantaggi e svantaggi che, per ogni settore applicativo, ne orientano in molti casi la scelta.

Un classico attuatore lineare oleodinamico è il cilindro idraulico, costituito da una camicia in cui scorre un pistone, il quale spinge uno stelo che esplica il moto. Il fluido che permette la trasmissione dell’energia, possiede, seppur in minima quantità, una certa elasticità, che, se da un lato diminuisce la prontezza di intervento e la precisione, dall’altro permette di eliminare i giunti elastici meccanici sulle trasmissioni.

Principi Fondamentali dell'Oleodinamica

L'oleodinamica è una tecnica che utilizza i fluidi per generare pressione e convertirla in energia meccanica. I cilindri e le pompe idrauliche consentono di sollevare carichi pesanti con il minimo sforzo. Questi vengono inoltre utilizzati anche nelle frizioni o nei sistemi frenanti dei veicoli commerciali.

La parola oleodinamica è composta da due parole greche: “élaion”, riferito a sostanze dotate di untuosità, e “dynamikós” riferito alla forza e al movimento. Da ciò si può dedurre in cosa consiste un sistema oleodinamico: un fluido viscoso viene immesso in un sistema chiuso dove successivamente viene creata o aumentata una certa pressione per azione meccanica o statica.

In entrambi i processi, la pressione che si crea viene trasmessa attraverso tubi o sistemi di tubature fino a innescare la reazione (meccanica) desiderata in un punto specifico. In virtù del loro semplice funzionamento, gli impianti oleodinamici vengono utilizzati in un’ampia gamma di aree di lavoro. Per il funzionamento di sistemi oleodinamici viene raramente utilizzata l’acqua. Di solito tali impianti vengono azionati con l’aiuto di un olio speciale (olio idraulico).

Grazie alle sue proprietà, l’olio è perfettamente idoneo a garantire un funzionamento delicato all’interno della meccanica di precisione di macchine e motori. Come oli oleodinamici si possono utilizzare, a seconda del settore di applicazione, oli minerali, oli vegetali, emulsioni acqua-olio o fluidi sintetici.

Come Funziona un Sistema Oleodinamico

I sistemi oleodinamici possono movimentare grandi carichi con una forza facile da gestire. In tale processo sono coinvolti diversi componenti all’interno del circuito oleodinamico. La seguente panoramica passo dopo passo spiega in maniera semplice come funziona l’oleodinamica:

Aumento della pressione: La pompa idraulica viene azionata manualmente (ad esempio azionando una leva o un pedale) o tramite un motore. Il movimento del pistone riduce lo spazio per l’olio idraulico. La pressione continua a salire.
Distribuzione del volume o del flusso: Il fluido in pressione è chiamato anche volume o flusso. Questo viene distribuito attraverso i tubi idraulici del sistema. Nei sistemi oleodinamici complessi è possibile utilizzare delle valvole per controllare la direzione del flusso volumetrico.
Conversione in energia meccanica: Una volta che il fluido si è diffuso attraverso i tubi e ha accumulato una pressione sufficiente, attiva un secondo cilindro o motore idraulico (cilindro idraulico doppio effetto) che è responsabile del processo corrispondente (ad esempio, il sollevamento di una piattaforma o l’attivazione del freno).
Ritorno del fluido idraulico: Infine, per abbassare nuovamente la pressione nel caso di sistemi manuali a molla (in un sistema frenante, ad esempio), è sufficiente riposizionare la leva nella sua collocazione iniziale. Sulle macchine edili più grandi o su elevatori idraulici potenti è presente di solito un secondo interruttore che abbassa il pistone e, se necessario, apre una valvola di ritorno in modo che il fluido idraulico venga nuovamente distribuito in maniera uniforme all’interno del sistema.

Nota bene: Il funzionamento della centralina oleodinamica è essenziale per gestire la distribuzione del fluido e il controllo delle valvole, inclusa la valvola di massima pressione.

Vantaggi dell'Oleodinamica

Anche se le modalità di funzionamento sono molto simili, l’oleodinamica presenta alcuni vantaggi rispetto alla pneumatica:

Elevata trasmissione di potenza
Ingombro relativamente ridotto
Buona adattabilità alle contingenti condizioni di spazio grazie a tubi e collegamenti flessibili
Idoneità anche per macchine di precisione grazie a sequenze di movimento lente e regolabili separatamente
Lunga durata e bassa usura (se mantenuti e utilizzati seguendo le istruzioni)
L’olio idraulico previene l’attrito e allo stesso tempo svolge una funzione refrigerante, aumentando così la durata del sistema

Componenti Principali di un Circuito Oleodinamico

In tale processo sono coinvolti diversi componenti all’interno del circuito oleodinamico.

Pompe Idrauliche

Le pompe idrauliche forniscono fluido ai componenti nel sistema. Solitamente ricevono potenza da un motore elettrico o a scoppio, connesso tramite cinghie, ingranaggi, o accoppiamenti flessibili. Economiche, a durata elevata, dal funzionamento semplice. Sono meno efficienti perché hanno una cilindrata fissa, e sono solitamente utilizzate per pressioni sotto ai 20 MPa.

Il funzionamento è molto semplice: un motore fa ruotare una delle due ruote dentate, che trascina l’altra. Il fluido viene trascinato nei vani che si realizzano fra i fianchi dei denti e la superficie cilindrica del corpo pompa. In questo modo si genera una portata volumetrica, mentre una piccola parte di fluido defluisce all’indietro (abbassando quindi l’efficienza). Sono pompe molto diffuse, soprattutto per le applicazioni a funzionamento continuativo.

Vengono progettate in genere con un meccanismo a spostamento variabile, per modificare il flusso in uscita e controllare la pressione del sistema. In genere è presente un corpo cilindrico rotante con cilindri scavati. I pistoni sono collegati mediante cerniere e pattini al piatto inclinato (che è fisso rispetto al carter); i pistoni sono trascinati dal corpo rotante. Un’altra modalità costruttiva è quella a corpo inclinato.

Nelle pompe a pistoni assiali il numero cilindri è in genere 5 o 7, comunque dispari (per evitare punti morti). Nelle pompe a cilindrata variabile, la portata può variare per effetto di due regolazioni. Come già visto è possibile regolare la cilindrata della pompa modificando la corsa dei pistoni, ma è anche possibile modificare la velocità di rotazione del motore, e di conseguenza della pompa.

Motori Idraulici

In un sistema a trasmissione idrostatica assorbono la potenza idraulica generata dalla pompa.

Considerazioni sul Fluido Idraulico

Come già spiegato, il fluido idraulico è il mezzo che permette la trasmissione idrostatica della potenza nel circuito. Sono solitamente olii di origine petrolifera, con aggiunta di vari additivi. I campi di temperature ammesse sono, per funzionamento continuo, 130°C per olii di origine petrolifera, 200°C per esteri siliconici e 260°C per esteri.

Sistemi di Riscaldamento: Aperti vs Chiusi

Quando si esegue una ristrutturazione completa del sistema di riscaldamento o si costruisce una casa, spesso si incontrano i concetti di sistema chiuso e sistema aperto. È utile sapere cosa significano e in cosa si differenziano. In generale, in Europa e nel mondo, si utilizzano due principali categorie di sistemi di riscaldamento centralizzato, ossia il sistema aperto e il sistema chiuso.

☑️ Il sistema aperto e il sistema chiuso rappresentano i due modelli principali di impianti di riscaldamento. I due sistemi si differenziano tra loro per caratteristiche e funzionalità completamente diverse, quindi non è possibile scegliere liberamente uno o l’altro. Ogni sistema è progettato per funzionare con specifici tipi di apparecchiature di riscaldamento e presenta vantaggi rispetto all'altro o, in alcuni aspetti, è meno efficiente. Il sistema chiuso è considerato più moderno, ma ciò non significa che sia sempre applicabile.

Sistema Aperto

L'impianto aperto nel riscaldamento centralizzato si distingue per il fatto che il sistema non è completamente sigillato, ma deve avere un punto di contatto con l'aria. L'acqua calda che alimenta i radiatori per riscaldare l'ambiente domestico circola in un sistema di tubazioni che, di norma, ha un vaso di espansione aperto posizionato nel punto più alto del circuito (di solito in soffitta o sul sottotetto). Quando l'acqua nel sistema viene riscaldata (grazie alla caldaia, al caminetto, ecc.), la pressione aumenta e il coperchio del vaso di espansione si solleva.

Spesso si sente dire che l’impianto aperto è ormai superato e che i moderni sistemi di riscaldamento dovrebbero essere chiusi. Sebbene questa affermazione sia generalmente vera, in alcune situazioni l’impianto aperto presenta dei vantaggi.

✅ Prima di tutto, un impianto aperto di riscaldamento centralizzato permette il funzionamento gravitazionale, che di fatto non funzionerebbe nei moderni impianti chiusi di riscaldamento centralizzato che richiedono pompe di circolazione. Il sistema gravitazionale funziona sulla base delle variazioni di pressione nelle diverse parti del sistema di riscaldamento - quindi l'acqua comincia a circolare autonomamente man mano che si avvia il riscaldamento (semplificando - quando si accende la caldaia o, ad esempio, un camino).

I dispositivi di riscaldamento considerati più primitivi nella loro costruzione, più lenti nella risposta, spesso sono destinati a funzionare in un impianto aperto. Questi sono spesso camini con scambiatori d’acqua, ma anche vecchi tipi di caldaie - ad esempio a carbone, combustibili solidi, legna, le cosiddette "spazzature". La maggior parte di questi dispositivi non dispone di automazioni che li spengano nel momento in cui la casa è sufficientemente riscaldata.

Poiché questi dispositivi non si spengono da soli, possono causare il surriscaldamento del sistema di riscaldamento centralizzato e un pericoloso aumento della pressione nei tubi. La pressione, spesso sottovalutata dai non esperti, potrebbe persino far esplodere i tubi.

✅ Un impianto aperto di riscaldamento centralizzato ha il vantaggio che, in caso di surriscaldamento del sistema e aumento della pressione, il vaso di espansione si aprirà automaticamente, riducendo la pressione nell'impianto e scaricando parte dell'acqua nel sistema fognario. Inoltre, parte dell'acqua evaporerà semplicemente attraverso il vaso di espansione aperto.

Anche se alcuni dispositivi possono funzionare solo in un sistema aperto, gli svantaggi del sistema aperto nel riscaldamento centralizzato sono così rilevanti da superare i suoi vantaggi.

Il fatto che in un sistema aperto l’acqua abbia accesso all’aria ha un effetto benefico nel proteggere l’impianto da un aumento eccessivo della pressione. Tuttavia, questo è anche il motivo principale per cui i sistemi aperti sono considerati più dannosi.

L’evaporazione dell’acqua dal sistema rende necessaria l’aggiunta di nuova acqua. Sappiamo che l’acqua, contenendo minerali come magnesio e calcio, favorisce la formazione di calcare.

➡️ Il rischio di calcare non è l’unico problema. L’accesso dell’aria all’acqua aumenta anche il potenziale corrosivo sugli apparecchi presenti nel sistema, come radiatori, scambiatori di calore, boiler, portando a una loro più rapida sostituzione e a un generale inquinamento dell’impianto.

✅ Per i motivi sopra elencati - ossia il potenziale dannoso dei sistemi aperti - i produttori di apparecchiature di riscaldamento moderne e automatizzate, come le caldaie a condensazione (a gas) o le pompe di calore, di solito non garantiscono i loro prodotti se utilizzati in un sistema aperto.

Sistema Chiuso

Un impianto chiuso di riscaldamento centralizzato è l’opposto di un impianto aperto. Anche questo deve avere la possibilità di neutralizzare la pressione eccessiva in caso di surriscaldamento del sistema - questo avviene però attraverso vasi di espansione chiusi. Non sono probabilmente così efficaci come i vasi di espansione aperti, ma - per dirla in breve - non è necessario che siano altrettanto efficienti.

Il sistema chiuso è progettato per funzionare con apparecchi di riscaldamento moderni, dotati di sensori di temperatura che si spengono automaticamente, proteggendo il sistema dal surriscaldamento.

Il vantaggio principale di un sistema chiuso è la mancanza di potenziali danni causati da corrosione o accumulo di calcare. Tutta l'acqua, soprattutto nelle aree con alta durezza, ha il potenziale di generare calcare a causa della sua composizione chimico-fisica. Tuttavia, in un sistema chiuso l'acqua non entra in contatto con l'aria. Di conseguenza non evapora. In questa situazione, si aggiunge raramente nuova acqua al sistema, rimanendo sempre la stessa.

Come già accennato, un sistema aperto non è raccomandato per il riscaldamento a pavimento. Il sistema chiuso, grazie alla mancanza di potenziale rischio di ostruzione dei tubi sottili del riscaldamento a pavimento, può essere utilizzato sia con il riscaldamento a pavimento che con i radiatori.

In effetti, quasi nessun produttore di caldaie a gas o pompe di calore consente l’utilizzo dei propri dispositivi in sistemi aperti.

In un sistema chiuso, l’ambiente è molto sicuro, perciò rappresenta l’unica soluzione possibile se desideri installare una pompa di calore o una caldaia a gas moderna.

✅ Se desideri quindi avere in casa un sistema chiuso “più sano” e “più pulito”, non potrai collegare direttamente una caldaia a carbone o una cosiddetta “caldaia spazzatura”.

➡️ Un altro svantaggio del sistema chiuso è che, in impianti di questo tipo con tubazioni più sottili, il funzionamento gravitazionale non è praticabile - sarà quindi necessaria una pompa di circolazione. A causa della sua struttura, l’acqua non circolerà efficacemente in modo gravitazionale, ed è sconsigliato fare esperimenti di questo tipo.

Manutenzione dei Circuiti Oleodinamici

Come si sottolineato all’inizio di questo articolo, la pompa costituisce il cuore di ogni impianto oleodinamico, per cui è fondamentale conoscerne le modalità di guasto, le possibili cause ed i rimedi più efficaci.

Un ulteriore parametro fondamentale, indicatore dello stato di salute della pompa, è il Rendimento: esso viene considerato normale se pari a 95% o comunque superiore a 90%.

Scambiatori di Calore

La temperatura dell’olio di un circuito idraulico aumenta per effetto delle perdite dovute all’attrito durante il flusso nei condotti e, soprattutto, a causa delle perdite di rendimento nelle trasformazioni energetiche compiute. Anche le caratteristiche intrinseche dell’olio usato danno un contributo significativo. E’ qualcosa di molto simile all’effetto Joule per un circuito elettrico.

Alla dissipazione in calore corrispondono diminuzione di energia: potenziale, di velocità o di pressione; l’energia corrispondente rimane nel sistema ma non è utilizzabile. Molto dipende dal tipo di applicazione: se le condizioni di lavoro non sono particolarmente gravose, l’aumento della temperatura dell’olio è contenuto: se il serbatoio è sufficientemente grande e ventilato la permanenza dell’olio è abbastanza lunga da dissipare verso l’esterno il calore accumulato.

Sono normalmente a fascio tubiero e con flussi in controcorrente. Questo permette la regolazione di temperatura dell’olio variando la portata dell’acqua. La manutenzione è quella classica degli scambiatori e viene programmata in funzione dell’efficienza dello scambio termico, a propria volta strettamente correlata alla pulizia delle superfici di scambio. Si tratta quindi di monitorare le temperature di entrata e uscita dell’acqua e dell’olio secondo uno scadenziario adeguato.

E’ una tipica attività di “automanutenzione” , ovvero di manutenzione svolta autonomamente dall’Esercizio. In caso di perdite d’olio, l’acqua di raffreddamento potrebbe risultarne contaminata: pertanto è obbligatorio usare circuiti chiusi.

Pur con capacità refrigeranti nettamente minori, l’aria è il fluido più comodo ed immediato per asportare il calore dai fasci tubieri percorsi dall’olio. La superficie di scambio termico deve essere però molto più ampia e quindi si utilizzano tubi sottili, numerosi, di materiali con coefficiente di scambio termico elevato ed alettati. E’ il classico “radiatore”. Anche in questo caso la manutenzione preventiva consiste soprattutto nel monitoraggio della temperatura e nella pulizia periodica delle superfici alettate, molto soggette a sporcamento a causa del flusso di aria forzata.

Una macchina di movimento terra che lavori nella Pianura Padana nel mese di maggio, è esposta a vere e proprie nuvole di fiocchi (pappi) provenienti dai pioppi, che ostruiscono rapidamente qualsiasi alettatura. Una pulizia periodica con aria compressa è indispensabile.

Nella pratica comune gli scambiatori di calore hanno il compito di mantenere l’olio e i fluidi idraulici in genere entro un range prestabilito di temperatura. Per le macchine semoventi ( tipiche quelle di movimento terra ) si possono sfruttare i gas di scarico dei motori termici, convogliandoli in appositi fasci tubieri situati nei serbatoi o addirittura utilizzando veri e propri scambiatori accessori inseribili in parallelo al circuito principale.

Serbatoi

Scambio termico: raffreddamento a regime e/o riscaldo in avviamento (climi freddi, viscosità elevata), in “affiancamento” agli scambiatori veri e propri. Prima purificazione/separazione di particelle solide estranee via decantazione sul fondo. Prima filtrazione ( in aspirazione ). Compensazione delle espansioni e contrazioni di volume dovute alle variazioni di temperatura dell’olio, in “affiancamento” agli accumulatori.

Sono impiegati anche serbatoi pressurizzati. La pressione è relativamente bassa. Lo scopo è quello di impedire l’ingresso di contaminanti/umidità dall’esterno ed il traboccamento del liquido dal serbatoio. L’applicazione è tipica dei servomeccanismi di aerei, sommergibili e altri semoventi.

Filtrazione dell'Olio

Anche l’olio può essere sistematicamente pulito mediante l’utilizzo di filtri carrellati con pompa autonoma. La filtrazione (più spinta di quella effettuata dai filtri a bordo macchina) può quasi sempre essere effettuata senza fermare l’impianto.

Analisi dell'Olio

Interessantissime le possibilità di manutenzione predittiva (diagnostica precoce), attraverso l’analisi periodica dell’olio: esistono correlazioni precise tra i tipi di inquinanti, la relativa concentrazione, la progressione della medesima e il grado di affidabilità del sistema. Questa attività è di norma affidata a Specialisti esterni ed è normalmente utilizzata per tutti i tipi di olio (lubrificanti, isolanti nei trasformatori etc.).

Il ricorso a Specialisti esterni è raccomandabile anche perché condizione necessaria che la diagnostica precoce sia attendibile è che i campioni di olio siano prelevati con modalità assolutamente rigide e ripetitive nonchè in posizioni indicate e (meglio ancora) predisposte dal provider.

Manutenibilità

La manutenibilità (e non solo in questo caso ! ) si persegue soprattutto in fase di progetto e viene perfezionata eventualmente come manutenzione migliorativa. Nel caso rappresentato nelle figure precedenti, il serbatoio è facilmente ispezionabile e pulibile grazie ai due portelli di ispezione (fase progettuale espressamente rivolta alla manutenibilità).

Componenti Accessori

Premettiamo che l’aggettivo “accessori” serve più per distinguerli che per classificarli, visto che la loro funzione è determinante per valorizzare al meglio i pregi della trasmissione di potenza oleodinamica. Per facilitare l’analisi dividiamo i componenti accessori in due gruppi: quelli dedicati alla regolazione del regime di flusso e quelli dedicati al collegamento delle varie parti del circuito. In questo articolo inizieremo col trattare i componenti accessori “di regolazione”, ad eccezione dei filtri che, avendo un’importanza fondamentale ed una diversificazione particolarmente complessa saranno trattati in forma specifica.

Accumulatori

Si trovano installati su tutti i circuiti, oleodinamici ma non solo, in cui operano fluidi incomprimibili soggetti a variazioni di pressione. Nel caso dei circuiti oleodinamici tali variazioni derivano sostanzialmente dalle normali modalità di impiego dei sistemi, in quanto i tipi di pompe volumetriche normalmente impiegati erogano un flusso assimilabile al continuo ( pompe a ingranaggi, palette, pistoncini ). In figura è riportata una classica centralina con accumulatore a sacca e blocco di sicurezza.

In altri circuiti industriali gestiti con pompe volumetriche di altra tipologia è invece il tipo di pompa stesso a produrre pulsazioni ( pompe a membrana, a pistoni, a disco cavo, peristaltiche etc.).

Rimanendo nell’oleodinamica, sempre a titolo esemplificativo e non esaustivo, brusche variazioni di pressione possono essere normalmente indotte dall’azionamento di valvole, da variazioni di carico, dall’arrivo a fine corsa degli attuatori e, non trascurabile, da sovrasollecitazioni dovute al comportamento degli operatori, errori compresi.

Essendo l’olio incomprimibile, repentini incrementi di pressione determinano quello che in idraulica prende il nome di “colpo di ariete”. L’energia in eccesso impatta su tutto il circuito, causando danni o usura precoce. Esiste anche il problema opposto, quello di bruschi cali di pressione, quando ad esempio la richiesta di portata degli attuatori supera la portata della pompa e la mancanza di continuità di pressione crea problemi nell’esecuzione della funzione richiesta (es. allentamento di un bloccaggio, movimenti discontinui, perdita di ciclo etc.). Per inciso, quanto sopra descritto costituisce anche un segnale per il manutentore.

L’intensità del segnale può spaziare tra quella del “sintomo premonitore” , percepibile strumentalmente in sede di Predittiva a quella del malfunzionamento conclamato con effetti sul funzionamento ( con richiesta di intervento).

Funzione fondamentale degli accumulatori è mantenere il più possibile regolare nel tempo l’andamento dei valori di pressione e di portata dell’olio che circola nel sistema oleodinamico, rendendone “fluide” e senza picchi le variazioni. Spesso infatti sono detti anche “smorzatori”. Fisicamente questo compito viene svolto da un fluido comprimibile, tenuto separato dall’olio e in grado di comprimersi od espandersi in funzione e sincronia con le fluttuazioni di pressione dell’olio stesso.

Abbiamo scritto “funzione fondamentale” in quanto gli accumulatori possono essere impiegati in sostituzione o integrazione delle pompe, anche se ciò è possibile per intervalli di tempo molto brevi. Tipicamente, “punte” di fabbisogno di energia oppure il caso di dispositivi di emergenza che debbano comunque intervenire in caso di blocco dei componenti operatori veri e propri (es. Valvole di intercettazione ad azionamento oleodinamico) oppure l’impiego di accumulatori a scarica comandata preposti a fornire un surplus di energia in fase di avviamento e messa a regime di impianti complessi.

In questo caso si realizzano vere e proprie batterie di accumulatori di grandi dimensioni, molto simili alle “rampe” di bombole per lo stoccaggio dei gas tecnici.

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