Sistema di Raffreddamento del Motore Idraulico: Funzionamento e Componenti
Le macchine idrauliche, strumenti e macchinari che sfruttano la potenza di un fluido per eseguire lavoro, trovano impiego in svariate applicazioni gravose. Il vantaggio principale di una trasmissione idraulica risiede nella sua capacità di trasmettere grandi potenze a distanza tramite tubi flessibili, consentendo trasmissioni disassate senza vincoli di allineamento e assorbendo picchi di carico dovuti a urti e sovraccarichi. Inoltre, la disponibilità di attuatori standardizzati per trasmissioni idrauliche è ampia.
Un'altra caratteristica fondamentale dei sistemi a trasmissione idrostatica è la capacità di moltiplicare la forza o la coppia in modo semplice e indipendente dalla distanza tra ingresso e uscita, senza collegamenti meccanici complessi. Questa moltiplicazione può essere realizzata in vari modi, come nei cilindri idraulici, dove la modifica dell'area del pistone a parità di pressione consente di ottenere una forza maggiore.
Circuiti Idraulici: Aperti e Chiusi
Nei circuiti aperti, si utilizzano pompe a portata continua, anche economiche, a cilindrata costante. La gamma dei componenti accessori si limita a valvole di sfogo (per evitare sovraccarichi di pressione) e valvole di controllo (per permettere il deflusso del fluido verso il serbatoio). Per permettere il funzionamento del motore in entrambi i sensi di rotazione, è necessario invertire il flusso del fluido. I circuiti chiusi invece permettono il funzionamento anche in modalità reversibile, ovvero con il motore che assorbe potenza (frenando l’utilizzatore).
Per evitare la cavitazione, tutte le condotte vengono alimentate da una pompa ausiliaria, che fornisce una portata di poco superiore a quella di trafilamento. Una valvola di massima pressione scarica la portata in eccesso. La potenza idraulica è esprimibile come prodotto fra portata e pressione (P = Q p). In realtà la potenza reale è diversa dalla potenza teorica.
Rendimento Volumetrico e Meccanico
Si introducono quindi diversi rendimenti, sempre inferiori a 1: il rendimento volumetrico (ηq) e il rendimento meccanico (ηp) o di pressione. Per una pompa, il rendimento volumetrico esprime la portata perduta (Qeff = ηq Qteorica). Il rendimento meccanico invece (ηp) viene espresso in funzione della perdita di pressione (peff = ηp pteorica). Per un motore le relazioni vengono invertite, in quanto il motore deve elaborare più fluido (e quindi portata) per ottenere la potenza teorica.
Oltre alle perdite nelle pompe e nei motori, vanno considerate le perdite all’interno dei circuiti con trasmissioni idrostatiche. Queste sono generalmente di due tipi: localizzate o distribuite. Le seconde sono relative alla resistenza dovuta al flusso di fluido all’interno delle tubazioni. Anche queste vengono in genere fornite dal produttore dei tubi, in genere con abachi che legano la perdita alla lunghezza della tubazione, alla sua dimensione e alla velocità del fluido.
Il 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.
Pompe Idrauliche: Tipologie e Funzionamento
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.
Pompe a Ingranaggi
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.
Pompe a Pistoni
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).
Regolazione della Cilindrata
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. Ipotizziamo di voler effettuare un predimensionamento di un circuito idraulico semplice, costituito da due motori che assorbono 80 Nm a 60 giri/min (500 W circa). Da catalogo si ricava il diagramma di funzionamento del motore scelto. La cilindrata richiesta Vr è pari a V = Q 1000 / n. Ipotizzando di fornire potenza alla pompa tramite un motore operante a 1000 giri/min, si ricava una cilindrata di 8.2 cm3, il 45% della cilindrata massima.
Scelta dei Tubi e Componenti
Una volta scelti i componenti principali non resta che scegliere i tubi. La scelta è facilitata dai cataloghi dei produttori, che forniscono abachi per il calcolo del diametro dei tubi in funzione della pressione. Lo stesso vale per i raccordi e per le valvole di controllo; una volta scelti questi componenti e calcolate le perdite distribuite e concentrate, è utile ricalcolare la pressione e la portata richieste alla pompa, per valutare se si è ancora nel campo di regolazione della stessa.
Raffreddamento dell'Olio Idraulico
I macchinari industriali impiegati nella generazione di energia hanno bisogno di olio lubrificante per proteggere i componenti in movimento, aumentando le performance e assicurando le giuste condizioni di lavoro delle parti meccaniche interne, richiedendo quindi applicazioni per il raffreddamento dell’olio per turbine, motori endotermici, alternatori, centraline idrauliche e oleodinamiche. L’olio motore svolge le funzioni di fluido lubrificante e protettivo, a prevenzione dell’usura dei componenti meccanici, proteggendoli da ruggine e corrosione inibendo l’ossidazione alle alte temperature di lavorazione. L’olio idraulico ha però anche il compito di raffreddare le parti meccaniche in movimento dissipando calore dai componenti.
La viscosità è la caratteristica più importante in un olio idraulico lubrificante. La viscosità di un olio idraulico dipende fortemente dalla sua temperatura. L’olio motore crea una pellicola tra le parti in movimento che provvede a lubrificarle e a raffreddarle, minimizzando i contatti e le frizioni che usurano e rovinano i componenti, scongiurando danni alle macchine e la loro rottura, incrementandone servizio e durata.
Il movimento dei componenti meccanici tra loro ad ogni modo produce delle frizioni che convertono l’energia generata in calore, assorbito dall’olio che diminuisce così il suo potere lubrificante. Gli scambiatori di calore a piastre saldobrasate della serie Tempco T Plate sono la perfetta soluzione per il raffreddamento dell’olio idraulico, che dovrebbe impiegare un dispositivo leggero, compatto, duraturo e a prova di perdite, con veloce ed elevato potere di dissipazione del calore. Gli scambiatori di calore di Tempco della gamma T Plate e T Plate B sono macchinari di termoregolazione industriale che rappresentano la migliore soluzione per il raffreddamento dell’olio idraulico in impianti industriali e applicazioni che generano energia. Gli scambiatori a piastre di Tempco applicati al raffreddamento dell’olio idraulico mantengono la temperatura ottimale e la perfetta viscosità dell’olio, disperdendo il calore che questo assorbe nel processo di lubrificazione.
Un raffreddatore d’olio è un sottosistema fondamentale che potenzia e allunga la vita e le prestazioni di un macchinario meccanico, inserito all’interno del ciclo produttivo per rimuovere l’eccesso di energia termica prodotto da questo genere di macchine e assorbito per contatto diretto con i componenti surriscaldati. L’incremento di temperatura dell’olio idraulico compromette la resa del fluido lubrificante, danneggiando componenti e parti meccaniche.
Efficienza Termica e Sistemi di Raffreddamento Moderni
Con tutti i motori a combustione interna si verifica una “perdita” significativa di energia a causa della conversione inefficiente dell’energia chimica in calore e, successivamente, in energia cinetica. In questi motori ad alte prestazioni i sistemi di raffreddamento sono generalmente pressurizzati fino a 3.75 bar e hanno un punto di ebollizione intorno a 120°C. Di solito, in un’autovettura moderna la pressione del sistema di raffreddamento si attesta in un ordine compreso tra 0.9 e 1.1 bar, con un aumento del punto di ebollizione di circa 22°C e, conseguentemente, con una temperatura di funzionamento del refrigerante del motore di circa 100°C.
Allo stesso tempo, una pompa dell’acqua standard riesce a muovere un massimo di circa 28000 litri di refrigerante all’ora o rimetterlo in circolo all’interno del motore più di 20 volte al minuto, consumando fino a 2 KW in perdite parassite. Con i motori elettrici, la cui pressione non è più direttamente proporzionale al regime del motore, ma dipende piuttosto dai requisiti del motore, è importante che in fase di sviluppo la pressione del sistema di raffreddamento sia monitorata costantemente. Questo garantisce che i componenti come il radiatore e i tubi dell’acqua rimangano nelle aree di funzionamento di sicurezza.
Durante lo sviluppo di quella che è essenzialmente una nuova tecnologia, mappare la pressione del sistema richiede sensori di pressione altamente reattivi di qualità e accuratezza indiscutibili. Questi sensori devono registrate i dati in modo accurato, ma devono anche essere resistenti: il contesto operativo richiede che funzionino correttamente per un ampio intervallo di temperatura e che resistano alle vibrazioni e all’esposizione alle sostante chimiche.
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