Moltiplicatori di Giri per Pompe Idrauliche: Funzionamento e Applicazioni
Nei sistemi idraulici, è spesso necessario utilizzare pressioni di esercizio variabili.
Spesso si vedono sistemi nei quali la maggior parte dell'olio della centralina passa attraverso una valvola limitatrice di pressione che è tarata ad una pressione elevata senza che ve ne sia necessità, questo perchè, per un breve tempo, è necessaria una pressione elevata nel ciclo del macchinario in questione.
Per superare questo problema, un sistema è spesso costituito da diverse pompe che sono collegate in modo che il flusso volumetrico inviato dipenda dalla pressione di esercizio occorrente.
Ad esempio, questa è la situazione che si verifica in operazioni di compressione.
Utilizzando moltiplicatori di pressione, i progettisti hanno una maggiore flessibilità per quanto riguarda la scelta della pressione di esercizio e il carico idraulico diventa più uniforme durante il ciclo macchina.
Principio di Funzionamento di un Moltiplicatore di Pressione
La Figura 1 mostra uno schema idraulico di principio di un moltiplicatore di pressione. Quando l'olio arriva al moltiplicatore, questo automaticamente inizia a funzionare per aumentare la pressione fino al livello richiesto, al raggiungimento della pressione richiesta, il moltiplicatore si arresta e si attiva unicamente per mantanere la pressione finale, per es. L'olio viene inviato al raccordo IN e passa attraverso le valvole di ritegno KV1 e KV2 e DV (opzionale) al lato H ad alta pressione Allo stesso istante, il raccordo R viene collegato al serbatoio.
Ora tutta la portata della pompa passa direttamente attraverso il miniBOOSTER ed un cilindro su lato H ad alta pressione si estende rapidamente.
Quando la pressione aumenta sul alto ad alta pressione, le valvole KV2 e DV si chiudono, e l'olio riempie il Vol. 1.
In fig. 1, il Vol. 2 viene collegato attraverso alla valvola bistabile BV1 al Vo. 3, che è a sua volta collegato al serbatoio.
L'incremento di pressione in Vol. Quando il pistone ad alta pressione HP passa sulla linea di pilotaggio 1 (string 1), questa va in pressione, e BV1 cambia posizione.
Questo accade perchè l'area sopra BV1 è maggiore dell'area al di sotto, dove la linea pilota 2 (string 2) è costantemente in pressione.
Vol. 2 è perciò collegato alla pompa, ed i pistoni LP ed HP si muovono verso l'alto poichè l'area sotto LP è maggiore che l'area sopra HP.
L'olio nel Vol. 1 viene inviato al lato ad alta pressione.
Quando il lato opposto di HP supera la linea pilota 1 (come mostrato in Fig. 1), quest'ultima è depressurizzata, e BV1 ritorna alla sua posizione iniziale.
Questo continua finchè la pressione del lato ad alta pressione aumenta di un fattore equivalente al rapporto fra le aree di LP e di HP.
La pressione può essere scaricata dal lato ad alta pressione inviando la portata della pompa al raccordo R e collegando il raccordo IN al serbatoio.
La linea pilota 3 viene pertanto pressurizzata e la valvola DV si apre.
La Figura 2 mostra una tipica situazione della relazione fra la pressione e la portata d'olio al raccordo H, quando la pressione al raccordo IN può essere al massimo di 150 bar ed il carico sul raccordo ad alta pressione va da 0 a 480 bar.
In linea di principio, il moltiplicatore di pressione può essere utilizzato dove ci sia la necessità di una elevata pressione in un certo istante.
In generale, il sistema sarà come mostrato in Figura 3, nel quale un cilindro è comandato da un normale distributore 4/3.
Il moltiplicatore di pressione è montato direttamente sul cilindro, e la costosa linea in alta pressione è ridotta al minimo.
In sistemi nei quali la pompa è dimensionata non solo per azionare un unico cilindro, come mostrato in Figura 3, ma deve alimentare anche altri utilizzi, la portata fornita può aumentare la frequenza di funzionamento del moltiplicatore ad un livello al quale la sua durata può risultare ridotta.
Un settore applicativo particolarmente adatto al moltiplicatore di pressione è in sistemi già esistenti, dove sia necessaria una pressione più elevata di quella consentita dal progetto originale.
I costi per aggiornare questo sistema al fine di raggiungere una pressione più elevata sono generalmente molto elevati e procurano un sacco di problemi.
Con il moltiplicatore di pressione, un sistema esistente può essere aggiornato alla pressione di esercizio maggiore con la semplice aggiunta di un moltiplicatore.
Da quando il moltiplicatore di pressione è entrato a far parte dei prodotti esistenti sul mercato, è stato utilizzato in un gran numero di sistemi.
La Fig. 4 mostra uno schema attrezzatura della Danfoss A/S di un attrezzo di bloccaggio su una macchina di lavorazione STAMA.
2 miniBOOSTER con rapporto di moltiplicazione 4:1 sono montati direttamente sull'attrezzo uno per ciascuna delle piastre di bloccaggio.
Con la pressione idraulica di 40 bar del sistema esistente, si raggiunge sull'attrezzatura di bloccaggio una pressione di 160 bar.
Tipologie di Pompe Idrauliche
Tutte le pompe presentate sono pompe volumetriche, che erogano una portata che può essere considerata circa costante.
Il livello di pressione alla mandata non dipende dalla pompa ma soltanto dal circuito a valle della stessa.
Cilindrata: Con il termine cilindrata di una pompa si indica il volume teorico di liquido spostato (aspirato ed espulso) in una rotazione completa dell’albero motore.
Nel ciclo reale si hanno una serie di perdite che vanno ad incrementare l’area del ciclo e quindi la potenza interna richiesta dalla macchina.
Inoltre, a causa delle perdite di tipo meccanico, la potenza assorbita dalla pompa è superiore alla potenza interna: si introduce, a tal fine, il rendimento meccanico ηm pari al rapporto tra la potenza interna e quella assorbita.
Il rendimento globale della pompa ηP, che appare nella espressione precedente, è definito come il rapporto tra la potenza idraulica conferita al fluido dalla pompa e la potenza meccanica assorbita attraverso l’albero motore ed è esprimibile come prodotto dei rendimenti volumetrico, idraulico e meccanico prima introdotti.
All’avviamento della pompa, nei vani viene trasportata, dall’attacco di aspirazione a quello di mandata, solo l’aria presente nelle tubazioni dall’aspirazione al serbatoio.
Affinché il funzionamento della pompa sia corretto, è necessario che i vani siano a tenuta pressoché perfetta, in modo da garantire un trasporto del fluido senza perdite rilevanti.
Pompe a Ingranaggi
Le pompe a ingranaggi hanno pochissimi componenti mobili e sono costituite da due ruote dentate che ingranano l’una nell’altra.
Hanno una portata costante e generalmente operano a pressioni comprese tra 50 e 210 bar.
Nelle pompe a ingranaggi esterni, solo una delle ruote dentate, la ruota motrice, è collegata alla trasmissione.
Esistono pompe a doppio ingranaggio esterno, che consistono in due pompe a ingranaggi azionate dallo stesso albero.
Le pompe ad ingranaggi esterni hanno cilindrate comprese tra 0.2 e 200 cm3 , con una pressione massima di esercizio di circa 300 bar e una velocità di rotazione compresa fra i 500 e i 6000 RPM.
La caratteristica più rilevante delle pompe ad ingranaggi interni è la bassa rumorosità.
Mettendo in rotazione il rotore dentato accoppiato al motore di azionamento il volume fra i fianchi dei denti aumenta e la pompa aspira.
L'aumento di volume interessa un angolo di rotazione di circa 120°, per cui il vano si riempie in un tempo relativamente lungo.
Nella zona delimitata dall'elemento di riempimento a forma di falce il fluido viene trasportato senza variazione di volume.
Pompe a Vite
Le pompe a viti, così come le pompe ad ingranaggi interni, presentano una notevole silenziosità di funzionamento.
L’albero ad elica destra, viene accoppiato al motore dal quale riceve la coppia e trasmette il movimento rotatorio all’altro albero, munito di elica sinistra.
Dal punto a minor distanza tra le due circonferenze, procedendo in senso orario si ha dapprima un progressivo aumento del volume delle camere, per poi subire una diminuzione progressiva.
Pompe a Pistoni
Le pompe idrauliche a pistone sono in grado di pompare flussi molto elevati ad alte pressioni.
Il loro principio di funzionamento si basa sul movimento alternato dei pistoni.
Nelle pompe a pistoni radiali con albero eccentrico, l’albero rotante eccentrico genera movimenti radiali dei pistoni inseriti nel corpo esterno fisso.
Le pompe a pistoni radiali vengono generalmente progettate con un numero di pompanti dispari, poiché un numero di pompanti pari - anche se maggiore - presenta una pulsazione di portata superiore.
In questo tipo di macchina il movimento rotatorio dell’albero si trasforma in un moto oscillatorio dei pistoncini (pompanti) nella direzione parallela a quella dell’asse di rotazione.
Mettendo in rotazione l’albero il blocco cilindri viene trascinato dall’accoppiamento scanalato.
L' unità a pistoni assiali a blocco cilindri inclinato (detta anche ad asse inclinato) è una macchina volumetrica i cui pistoni, insieme al blocco cilindri in cui scorrono, sono montati in posizione inclinata rispetto all'asse dell’albero.
Ad ogni giro completo dell'albero i pistoni compiono nei rispettivi alloggiamenti ricavati nel blocco una corsa di andata e ritorno, la cui entità è proporzionale all'angolo d'inclinazione.
Pompe a Palette
Sono costituite da un rotore con scanalature radiali, nelle quali sono alloggiate delle palette rettangolari.
Con blocco cilindri eccentrico: la rotazione del pistone avviene all’interno di un anello esterno rigido.
Le pompe a pistone e le pompe a palette possono essere a cilindrata fissa o variabile, a seconda del modello.
Applicazioni dei Moltiplicatori di Giri
Il moltiplicatore di giri motore idraulico riveste sicuramente una grande importanza nel contesto della produzione di energia idroelettrica e in diverse altre applicazioni.
Vantaggi
L'utilizzo di questa tecnologia è fondamentale per sfruttare al meglio le risorse ambientali disponibili e massimizzare la produzione di energia.
I vantaggi includono un basso impatto finanziario, costi di esercizio e di manutenzione estremamente bassi, rendendolo ideale per diverse realtà.
Applicazioni Specifiche
- Mini centrali idroelettriche per borgate o aziende agricole, artigianali e industriali.
- Impianti irrigui, industriali, di depurazione e per acquedotti pubblici o privati.
- Macchine per la pressofusione e per lo stampaggio a iniezione.
- Macchine per la costruzione e i lavori pubblici.
- Macchine da taglio a getto d’acqua (in questo caso il fluido idraulico è acqua e non olio).
Componenti e Funzionamento negli Impianti Idroelettrici
La produzione è ottenuta per mezzo di macchina asincrona per una potenza massima di 110 kW.
La quota eccedente viene ceduta in media tensione nella rete di distribuzione ENEL.
L'energia elettrica pubblica utilizza l'energia prodotta dall'impianto.
Turbine Utilizzabili
- Turbine ad elica, adatte per impianti a bassa o bassissima caduta (fino a 20 - 30 m).
- Turbine Kaplan.
Presa d'Acqua e Vasca di Carico
La presa d'acqua è provvista di un cielo protetto da una griglia metallica per favorirne l'autopulitura.
A monte della turbina è presente una vasca di carico, che svolge anche la funzione di dissabbiatore, del volume di 20 m circa, ricavata nelle immediate vicinanze della presa.
Aspetti Tecnici e Regolamentazione
È essenziale considerare le normative legislative, tecniche, e ambientali durante la progettazione e l'installazione di un impianto con moltiplicatore di giri.
Il Genio Civile deve esaminare il progetto dell'impianto, specialmente se installato in una zona soggetta a vincoli ambientali.
Un aspetto cruciale è la concessione alla derivazione di acque pubbliche, che regola la quantità di acqua (portata) disponibili.
Parametri di Efficienza e Gestione dell'Energia
I rendimenti tipici si attestano tra 0.8 e 0,85 per le mini centrali.
È importante monitorare costantemente il funzionamento, che può essere continuativo oppure stagionale, con controlli periodici.
L'energia prodotta può essere utilizzata in diversi modi:
- Direttamente dagli apparecchi utilizzatori in resistenze che riscaldano aria o acqua.
- In parallelo a una rete elettrica esistente.
- In parallelo ad altre unità generatrici, mantenendo una produzione costante.
Per la gestione dell'energia, sono previsti relè conformi alla normativa attuale.
Si effettuano misurazioni separate per l'energia prodotta e l'energia scambiata con ENEL.
Esempi di Applicazione e Potenza Resa
Di seguito alcuni esempi di applicazioni con relativa potenza resa:
| Applicazione | Potenza Resa | Note |
|---|---|---|
| Cascinale | P = 150 W c.c. | Invertitore a onda quadra c.c. 24 V/c.a. |
| Circolazione impianto di riscaldamento | P = 1,8 kW c.a. | |
| Apparecchi installati | P = 3,5 kW c.a. | |
| Apparecchi installati | P = 15 kW c.a. |
MiniBOOSTER Hydraulics A/S
La MiniBOOSTER Hydraulics A/S si è specializzata nella produzione dei moltiplicatori idraulici di pressione miniBOOSTER.
Circa il 95% della produzione è diretta verso mercati esteri, dove il moltiplicatore di pressione è utilizzato in molti tipi differenti di macchine e sistemi.
La MiniBOOSTER Hydraulics A/S offre un'ampia gamma di moltiplicatori di pressione idraulici, che sono oggi utilizzati in tutto il mondo in molte applicazioni differenti.
HC8 Versione HC2 del miniBOOSTER sviluppata per pressioni di uscita fino a 2000 bar.
La struttura compatta del miniBOOSTERTM fa sì che possa essere installato esattamente dove l'alta pressione è richiesta.
Nei principali Paesi industrializzati principali, denaro, spazio e peso possano essere risparmiati incorporando moltiplicatori di pressione nei sistemi idraulici.
Portata (Qv), chiamata anche flusso, che è espressa in l/min. Trovano impiego non solo nell’industria, specialmente nelle macchine per la pressofusione e per lo stampaggio a iniezione, ma anche nelle macchine per la costruzione e i lavori pubblici.
Trovano impiego anche nelle macchine da taglio a getto d’acqua. In questo caso il fluido idraulico è acqua e non olio.
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