Definizione e Funzionamento della Potenza Idraulica

L’obiettivo di questa serie di articoli è quello di fornire una solida conoscenza dei concetti generali associati alle attrezzature idrauliche e pneumatiche presenti oggi nell’industria. Inizieremo con un’introduzione agli elementi fondamentali di oleodinamica e pneumatica, inclusa una comprensione generale della fisica di base coinvolta. Proseguiremo descrivendo i vari tipi di attrezzature idrauliche e pneumatiche, nonché i diversi tipi di guarnizioni che possono essere utilizzate in tali apparecchiature e i materiali di cui possono essere realizzate.

L’idraulica è stata inizialmente definita come lo studio dei comportamenti fisici dell’acqua a riposo ed in movimento. Questo termine ha poi assunto un significato più ampio includendo i comportamenti fisici di tutti i fluidi. La potenza idraulica viene utilizzata praticamente in ogni settore industriale. La si può trovare quotidianamente nelle automobili, macchine utensili, aerei, nei satelliti e nelle macchine planetarie.

Un fluido è, per definizione, una sostanza che fluisce e che assume la forma del recipiente che lo contiene. Sia i liquidi sia i gas sono considerati fluidi. La differenza principale tra un liquido ed un gas è che quest’ultimo è comprimibile, mentre un liquido è considerato virtualmente non comprimibile. Un fluido liquido è infinitamente flessibile, ma anche inflessibile come l’acciaio. Nessun altro mezzo unisce lo stesso grado di controllo accurato, positivo e flessibile con l’abilità di trasferire una grande quantità di potenza con un minimo di massa e di peso.

La pneumatica è simile all’idraulica. La differenza è che la pneumatica si riferisce ad aria pressurizzata (aria compressa) o altri gas, anziché liquidi come nell’idraulica.

Una forza è, per definizione, qualsiasi causa che tende a generare o modificare moto. Per muovere un corpo, deve essere applicata ad esso una forza. La quantità di forza necessaria per muoverlo dipende dalla sua inerzia. L’inerzia è una proprietà della materia per cui essa permane nel suo stato di riposo o di moto uniforme a meno che non agisca su di essa una forza esterna. La forza è espressa attraverso qualsiasi unità di misura usata per la misurazione del peso.

Le pompe idrauliche non creano pressione, creano un flusso. I compressori ad aria o gas creano pressione, tuttavia la pressione “scorre” da zone ad alta a bassa pressione. La pressione viene creata quando il flusso trova una resistenza. Se il flusso incontra una resistenza leggera o minima, allora la pressione sviluppata sarà lieve o minima. All’aumentare della forza corrisponde un aumento della pressione.

Il lavoro invece è una misura di realizzazione. Se una forza di 1200 libbre (5280 Newton) muove uno stelo di 4 pollici (10 centimetri), il lavoro risultante è 4800 pollici per libbre o 528 Joule (𝐽=𝑁𝑚). La potenza è il lavoro per unità di tempo. Le unità di misura standard per la misurazione della potenza sono il Watt (W) o il cavallo vapore (CV).

Blaise Pascal, scienziato, filosofo e matematico francese, è stato un pioniere nel campo dello studio dei fluidi. Essendo i fluidi liquidi virtualmente incomprimibili, una forza meccanica può essere trasmessa, moltiplicata, controllata e diretta mediante fluidi sotto pressione. Quando una forza viene applicata ad un liquido confinato, questo mostra sostanzialmente lo stesso effetto di rigidità di un solido. Questo però non porterebbe alcun vantaggio essendo la forza risultante equivalente a quella di ingresso. Una piccola forza di 1 libbra su una superficie di un pollice quadrato equivale ad 1 psi (pound per square inch, ovvero libbre per pollice quadrato). Applicando 1 psi ad un recipiente contenente un fluido, allora la pressione del fluido sarà di 1 psi. Qui è dove la forza è moltiplicata grazie alle leggi della fisica ed avviene la “magia”.

La forza o energia d’ingresso all’interno di un sistema idraulico o pneumatico proviene da un flusso di fluido. Questo flusso incontra una resistenza e viene sviluppata una pressione. La pressione agisce sulla superficie di un pistone o di uno stelo creando una forza. Il passaggio di un flusso di un fluido all’interno di un sistema genera attrito e produce calore. L’attrito all’interno di un sistema non può essere eliminato, ma può essere controllato. Distanza coperta dal fluido. Numero di giri e raccordi. Linee troppo strette comportano un’elevata velocità del fluido. Elevata viscosità del fluido.

In un sistema idraulico o pneumatico, il fluido passante attraverso un tubo viaggia ad una certa velocità, espressa in metri al secondo. La quantità di fluido che scorre all’interno del tubo in un dato periodo di tempo è detta flow rate, o portata, ed è misurata in litri al minuto. Per ottenere la stessa portata in due tubi di diametro diverso, dovrà cambiare la velocità del fluido. Il flusso all’interno di un tubo di diametro più piccolo dovrà scorrere ad una velocità più alta per avere la stessa portata di uno maggiore. Ricorda che la quantità di fluido in circolo è la portata.

Con il passaggio di un fluido all’interno di un tubo parte dell’energia viene persa con l’attrito producendo un calo di pressione o differenziale di pressione. Deve esserci un calo di pressione attraverso una restrizione per provocare il passaggio di un fluido attraverso di essa. Se non c’è il fluido non ci sarà alcun calo di pressione. All’interno di un fluido in movimento, il differenziale di pressione tenderà a salire e la pressione a diminuire all’aumentare della distanza dalla sorgente di pressione (pompa, compressore). Un fluido perderà energia a causa dell’attrito e pressione a causa delle restrizioni.

In sistemi pneumatici, l’aria compressa è il veicolo più utilizzato. In alcune applicazioni si possono utilizzare gas inerti come l’azoto. Un sistema pneumatico dovrebbe sempre essere pulito e secco. L’ingresso di umidità all’interno del sistema porta alla corrosione di componenti come i tubi, valvole ed attuatori. Questa corrosione permette a sostanze nocive di entrare nel sistema. I sistemi pneumatici fanno affidamento sulla corretta lubrificazione e filtraggio. La mancanza di lubrificazione porta ad eccessivi costi di manutenzione, inefficienza produttiva e guasti prematuri.

Fluidi Oleodinamici

Nei sistemi oleodinamici sono utilizzati una vasta gamma di fluidi. Il fluido utilizzato ha un grosso impatto sul funzionamento e sulla manutenzione del macchinario. L’utilizzo di un fluido pulito e di alta qualità è il primo passo verso il raggiungimento a lungo termine di un sistema affidabile. Oltre a svolgere la funzione di mezzo per trasmettere energia, il fluido deve ridurre al minimo la resistenza attraverso una buona lubrificazione.

Viscosità: Questa è la proprietà più importante di un fluido per idraulica. Indica il valore della resistenza di un fluido che scorre. Pensalo come lo “spessore” o la “sottigliezza” del fluido. Fluidi più densi, come la melassa, scorrono lentamente e sono fluidi ad elevata viscosità. Fluidi più sottili come l’acqua invece scorrono facilmente ed hanno quindi una bassa viscosità. Altri fluidi, come l’olio, hanno una viscosità più bassa ad alte temperature e più alta con temperature più basse.
Lubrificazione: I fluidi per idraulica devono avere una buona lubrificazione in quanto previene l’abrasione tra parti a scorrimento che si trovano a stretto contatto tra loro.
Resistenza all’ossidazione: Questa è una caratteristica che determina l’efficacia operativa e la vita del fluido. I fattori che incidono sull’ossidazione sono l’aria, il calore e la contaminazione.

Tipologie di Fluidi Idraulici

Oli animali e vegetali: Da un punto di vista di lubrificazione per alte pressioni è opportuno evitare l’uso di questi oli come fluidi per idraulica.
Acqua: Sebbene l’acqua sia considerata relativamente economica, è il peggior fluido utilizzabile all’interno di un sistema idraulico.
Oli non infiammabili: Alcuni sistemi idraulici si trovano in ambienti pericolosi. Possono essere posizionati vicino a macchinari ad alta temperatura o una sorgente di accensione.
Acqua e glicole: Acqua, miscelata con glicole simile a quello usata come antigelo nei radiatori delle automobili. Questi miscugli sono in genere 40% glicole e 60% acqua.
Sintetico: Gli oli sintetici possono essere sia resistenti al fuoco che non infiammabili.
Emulsioni di olio e acqua: In genere questi sono fluidi a base di petrolio mescolati con acqua ed un emulsionante che stabilizza l’olio nell’acqua.

Le raccomandazioni del produttore devono essere seguite attentamente nel passare da un fluido a base di petrolio ad un olio non infiammabile o da un fluido non infiammabile ad un altro. Il sistema deve essere drenato a fondo, lavato, risciacquato e riempito correttamente. Potrebbe anche essere necessario cambiare tenute e guarnizioni ai componenti.

La frequenza con cui questi fluidi vanno cambiati dipende sia dal fluido sia dalle condizioni del sistema. Non può essere sottovalutata l’importanza di praticare test ed effettuare un buon drenaggio. L’analisi periodica in laboratorio è il metodo più accurato per sapere quando e con che frequenza i fluidi vanno sostituiti. Solitamente il fornitore di fluidi offre questi test.

Potenza della Pompa

La potenza di una pompa, nota anche come potenza assorbita, rappresenta l’energia impartita al fluido pompato per aumentarne la velocità e la pressione. Tutte le pompe idrauliche, al fine di spostare e aumentare la pressione di un fluido, consumano energia. La potenza richiesta dalla pompa dipende da una serie di fattori accessori della pompa stessa, tra cui l’efficienza del motore della pompa e la pressione. Ulteriori fattori che influiscono sulla potenza della pompa fanno riferimento alle caratteristiche di densità, viscosità e portata del fluido trasportato.

Le pompe non sono in grado di trasferire tutta l’energia che ricevono; a causa degli attriti, dissipazioni, turbolenze; per cui l’energia assorbita nell’unità di tempo dal motore, chiamata potenza assorbita, sarà maggiore di quella effettivamente acquistata dal liquido. Il rapporto tra la potenza utile e la potenza assorbita definisce il rendimento della pompa.

Il rendimento totale di una pompa considera le perdite di carico interne alla macchina. Il rendimento di una pompa può essere definito come il rapporto fra la potenza utile e la potenza assorbita. Nello specifico il rendimento è la capacità della pompa di trasformare energia meccanica in energia idraulica (efficienza), rappresenta la relazione tra la potenza fornita al fluido pompato (potenza idraulica) e la potenza del motore, quest’ultimo deve avere una potenza superiore a quella che si intende applicare al fluido, in modo da sopperire alla dissipazione.

Il rendimento di una pompa idraulica può essere calcolato a seconda della tecnologia di progettazione. Il rendimento volumetrico di una pompa è usato per quantificare le perdite di volume di fluido dovuto ai giochi tra girante della pompa e il relativo corpo.

La potenza della pompa che si ottiene è espressa in watt (o in kilowatt, dove 1 kW = 1000 W). Come abbiamo visto, effettuare il calcolo della potenza di una pompa centrifuga è abbastanza semplice. Conoscendo le diverse caratteristiche e applicando le formule riportate in questo articolo è possibile identificare correttamente i valori necessari.

Tipi di Pompe Idrauliche

Esistono diverse tipologie di pompe idrauliche, ognuna con caratteristiche specifiche:

Pompe volumetriche: Caratterizzate da un moto alternativo degli organi mobili.
Pompe alternative (o a stantuffo): Utilizzano il moto rettilineo alternato di uno stantuffo per esercitare pressione sul fluido.
Pompe centrifughe: Composte da una camera a sezione crescente (chiocciola o diffusore) collegata alle condotte di aspirazione e mandata, all'interno della quale ruota una girante.
Pompe rotative: Utilizzano il moto rotatorio lento di organi mobili (ruote dentate o lobi) per trasferire energia al fluido.

Pompe Centrifughe

Le pompe centrifughe sono costituite da una camera a sezione crescente, detta chiocciola o diffusore, collegata al centro con la condotta d’aspirazione e alla periferia con quella di mandata. All’interno della chiocciola gira a grande velocità (da 1500 a 3000 giri/minuto) un organo rotante, chiamato girante o impulsore.

La girante è un organo rotante, con forma e profilo diversi, innestato sull’albero del motore da cui riceve l’energia da imprimere al liquido. Quando si ha la necessità di superare alte prevalenze, mantenendo comunque alti i valori di portata, si possono utilizzare pompe centrifughe a multi-girante. In queste, un certo numero di giranti sono connesse con lo stesso albero. La geometria interna obbliga il liquido in uscita da una girante ad entrare in quella successiva. La pompa funziona così come diverse pompe in serie, ma con una compattezza maggiore.

Sono presenti sul mercato sia pompe ad asse orizzontale che ad asse verticale. Queste ultime possono essere impiegate quando lo spazio disponibile per l’installazione è veramente esiguo, in quanto il motore è posto proprio sopra la pompa. Un particolare tipo di pompa ad asse verticale è la pompa SOMMERSA, in cui il motore elettrico è posto all’interno di un contenitore ermetico. Queste pompe possono, perciò, essere installate sotto il livello del liquido e sono utilizzate quindi per pompare acqua da pozzi particolarmente profondi o da serbatoi interrati.

Le centrifughe possono essere anche autoadescanti, queste pompe sono in grado, a differenza delle normali pompe centrifughe, di aspirare l’aria contenuta nella condotta d’aspirazione e di creare all’interno della pompa una depressione capace di assicurare l’aspirazione del liquido da pompare. Tali pompe sono a una girante, posseggono una buona prevalenza, ma hanno generalmente un rendimento inferiore rispetto alle normali pompe centrifughe, in considerazione del ricircolo di parte del liquido pompato.

Presentano dalla parte più esterna una camera separata in due settori che individuano la camera di aspirazione e la camera di mandata. Nella zona centrale delle due camere sono presenti rispettivamente una luce di aspirazione ed una luce di mandata. Posteriormente a questa camera esterna è presente una camera in cui ruota una girante aperta di tipo stellare, rotante con un gioco minimo, in modo da assicurare una elevata capacità d’innesco, lavora cioè a sfioramento con il corpo e la culatta della pompa, creando così una depressione che preleva il liquido che, dalla camera di aspirazione, tramite la luce di carico, viene trasferito alla luce di scarico e quindi alla camera di mandata.

Gli utilizzi principali delle pompe centrifughe includono il pompaggio di sostanze chimiche, di acqua, in agricoltura, galvanica, torri di abbattimento fumi e nel settore petrolchimico.

Pompe Rotative

Le pompe rotative sono caratterizzate dal moto rotatorio lento di organi mobili: ruote dentate o lobi. Il trasferimento dell’energia avviene esercitando una pressione sul fluido in maniera analoga alle pompe a stantuffo. Il funzionamento di una pompa rotativa prevede che per ogni rotazione venga spostato un volume fisso di fluido. Queste pompe sono autoadescanti e forniscono una portata quasi costante, indipendentemente dalla pressione.

Pompe ad ingranaggi che sfruttano il movimento di ingranaggi per pompare il fluido per spostamento.

Installazione e Manutenzione

L'altezza di aspirazione non può, in nessun caso, superare limiti ben precisi (Ha non superi i 6÷7 metri), questo per evitare la cavitazione.

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