Radiatori per olio idraulico: funzionamento e manutenzione

L'oleodinamica è una branca della fluidodinamica applicata all'ingegneria meccanica, che studia la trasmissione di energia tramite fluidi in pressione, in particolare l'olio idraulico.

Il settore oleodinamico è in forte espansione a livello mondiale grazie alla sua grande capacità di gestire notevoli potenze tramite componentistica di dimensioni e pesi ridotti rispetto a tecnologie alternative.

L'Italia occupa un ruolo di punta nel mercato europeo ed è tra i primi 5 produttori mondiali di componenti oleodinamici.

Componenti di un sistema oleodinamico

Un sistema oleodinamico presenta:

Un gruppo generatore in cui si ha la trasformazione di energia meccanica in energia idraulica.
Un gruppo di controllo in cui il fluido viene condizionato facendo assumere ad esso determinati valori di pressione e portata e distribuendolo dove necessario.
Un gruppo di utilizzo formato da attuatori di diverso tipo.

La centralina oleodinamica è composta da:

Un motore asincrono elettrico trifase.
Una pompa immersa.
Una lanterna per proteggere il giunto.
Un giunto elastico.
Un filtro in aspirazione.
Una valvola limitatrice di pressione.
Un manometro.
Un rubinetto per escludere il manometro.
Un filtro allo scarico.
Uno scambiatore di calore.
Un tappo di carico.
Un indicatore per il livello dell’olio.
Degli anelli per il sollevamento.
Un tappo di scarico serbatoio.
Un coperchio.

Pompe e valvole nei sistemi oleodinamici

Le pompe di calore quando utilizzate in un circuito idrostatico sono normalmente di tipo volumetrico, in quanto vengono richiesti, nel caso di tali circuiti, elevati salti di pressione, nell’ordine di centinaia di bar. Le pompe volumetriche possono essere sia di tipo rotativo che di tipo alternativo; di tipo rotativo sono le pompe ad ingranaggi, mentre di tipo alternativo sono le pompe a pistoni. Entrambe le tipologie di pompe, possono funzionare sia da unità idrostatica primaria che da secondaria (motori idraulici) ed in particolare le pompe a pistoni assiali possono anche funzionare a portata variabile. Esistono diverse tipologie di pompe ma le più diffuse nei circuiti idrostatici sono quelle a pistoni assiali e quelle ad ingranaggi esterni.

Esistono valvole per il controllo della pressione del flusso di fluido (massima pressione, riduttrici di pressione) e valvole per il controllo della portata (non ritorno, distribuzione, selezione, regolazione, ecc.). Grazie all’uso delle valvole si riesce a dare una logica di funzionamento ad un impianto oleodinamico e se ne può garantire la sicurezza con opportuno utilizzo. In un circuito oleodinamico, se non si prevedono opportuni dispositivi, la pressione tende a crescere sempre più sino a danneggiare sia la pompa che tutte le altre componenti del circuito. Le valvole dette “normalmente chiuse”, sono quelle che in condizioni di riposo non lasciano passare del fluido ed evitano che nell’intero circuito si superi una pressione prefissata.

Il ruolo dell'olio idraulico

In oleodinamica l’olio è un componente che interagisce con tutti i componenti del circuito. Il suo ruolo principale è quello di trasportare l’energia dal generatore all’utilizzatore, ma non va dimenticata la sua importante funzione lubrificante e di asportatore di calore, che evita l’usura e l’installazione di ingombranti sistemi di raffreddamento per i componenti del circuito.

L’ossidazione dell’olio però, a causa dell’aria in seguito a riscaldamento, sbattimenti, presenza di elementi metallici che fungono da catalizzatori, altera le caratteristiche chimiche e di viscosità del fluido. Vengono perciò aggiunti additivi chimici.

Importanza della viscosità e della temperatura dell'olio idraulico

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 idraulico ha però anche il compito di raffreddare le parti meccaniche in movimento dissipando calore dai componenti.

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. L’incremento di temperatura dell’olio idraulico compromette la resa del fluido lubrificante, danneggiando componenti e parti meccaniche.

Soluzioni per il raffreddamento dell'olio idraulico

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. In particolare, gli scambiatori di calore saldobrasati assicurano massime prestazioni e affidabilità, un trasferimento del calore veloce ed efficiente grazie alla elevata superficie delle piastre, hanno un design leggero e compatto e, grazie alla mancanza di guarnizioni, non richiedono quasi manutenzione, consentendo inoltre installazione e assemblaggio facili, con un’eccellente resistenza ad alte temperature e pressioni, 200+300°C, f.v.

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.

Radiatori per macchine agricole e movimento terra

Il trattore è un mezzo di trasporto pesante e come tale richiede di essere costanti nei controlli e nella manutenzione. I trattori, rispetto ad altri veicoli, hanno la necessità di raffreddare i fluidi di servizio degli impianti presenti, specie durante il periodo estivo con le alte temperature.

La lavorazione del terreno agricolo è un contesto in cui la quantità di polvere è elevata. Le macchine agricole sono sottoposte a molte vibrazioni durante la lavorazione del terreno e questo rappresenta un problema per il radiatore.

I modelli per le macchine movimento terra devono anche rispettare alcune norme e per questo si possono definire omologati.

Realizzazione e progettazione di radiatori su misura

La creazione e la progettazione degli impianti di raffreddamento deve tener necessariamente conto di questi aspetti. I materiali per la costruzione dei radiatori sono pensati per favorire al massimo il grado di trasmissione del calore.

Cristofoli, grazie al suo reparto tecnico e di produzione, realizza radiatori di qualsiasi tipologia, dai più semplici e comuni a sistemi di raffreddamento modulari e radiatori per gruppi elettrogeni. Tutti i radiatori vengono testati così da garantire la massima qualità ed affidabilità del prodotto.

I radiatori sono necessari non solo per raffreddare il motore, ma anche gli oli e i fluidi per la lubrificazione del propulsore, dell’impianto idraulico principale, dell’idroguida, del cambio, dell’intercooler del turbo, del condizionatore, ecc. Nonostante parecchi decenni di evoluzione, i migliori motori endotermici (diesel compresi) non vanno oggi oltre il 44% di rendimento; ciò significa che più della metà dell’energia potenziale di tipo chimico contenuta nel combustibile (il gasolio) viene dispersa dopo la combustione, sostanzialmente sotto forma di calore. Una buona parte viene espulsa con i fumi di scarico, ma il resto viene dissipato mediante raffreddamento dei fluidi di servizio che consentono il buon funzionamento del motore, anche per periodi prolungati, in condizioni climatiche sfavorevoli e per lavorazioni gravose.

In più, a causa della limitata velocità massima di costruzione, sul trattore non è possibile sfruttare con risultati tangibili il naturale flusso d’aria che si crea nei trasferimenti a velocità elevate, per cui la progettazione e il dimensionamento degli impianti di raffreddamento deve necessariamente tener conto di questa basilare indicazione.

I materiali di costruzione dei radiatori devono ovviamente favorire al massimo grado la trasmissione del calore, per cui si tratta di metalli buoni conduttori. Per facilitare la manutenzione, sui modelli recenti ogni radiatore è incernierato e fissato su un telaio portante.

L’ambiente agricolo, specie per ciò che concerne le lavorazioni di campo, è per sua natura estremamente polveroso. Alcune lavorazioni, come quelle secondarie del terreno (erpicatura, zappatura, vangatura), nonché la fienagione e la raccolta dei cereali (specie a causa della movimentazione di materiale essiccato), comportano un rischio elevato di intasamento per i radiatori, poiché il materiale sollevato in aria si può accumulare tra le alette della loro struttura, riducendo grandemente l’efficienza della scambio termico.

Una soluzione relativamente semplice (ed economica) per preservare il pacco radiatori dall’intasamento di materiale estraneo consiste nell’interporre una o più tendine con maglie di opportuna fittezza, che trattengano le particelle che diversamente potrebbero incastrarsi tra le alette delle masse radianti.

La soluzione più semplice sarebbe quella di invertire il senso di rotazione delle pale, ma le ventole Cleanfix (prodotte in varie versioni con un crescente livello di automazione), si basano su un concetto differente, ovvero l’inversione delle pale sul loro asse, che viene realizzata in modo idraulico o pneumatico, in funzione della dotazione dei relativi impianti sul trattore.

Un vantaggio non indifferente di tale soluzione è che la modifica dell’inclinazione delle pale può naturalmente essere anche solo parziale, facendone variare l’angolazione per modulare l’entità del flusso, in funzione delle esigenze.

Allo scopo vengono impiegati termoelementi contenenti della cera che, in un determinato intervallo di temperatura, si espande e muove un pistoncino situato all’interno del mozzo della ventola, che agisce sulla posizione delle pale.

In alternativa, sui modelli di trattore più evoluti, la versione PT/HT del sistema Cleanfix può essere collegata alla centralina del motore che, tramite un sensore integrato sul ventilatore, pilota l’angolo delle pale tra 7° e 40°, in funzione del fabbisogno di raffreddamento. In questo caso lo scopo è di ottimizzare l’intensità del raffreddamento in tempo reale, in funzione delle esigenze dei vari impianti.

La ventola è collegata alla sorgente del moto tramite il cosiddetto “giunto viscoso”, costituito da due dischi adiacenti, il primo fissato alla ventola, mentre il secondo riceve il movimento rotatorio. Tra i due dischi può circolare tramite una valvola dell’olio siliconico, molto denso, che di fatto si comporta come una frizione, costituendo l’elemento di trasmissione del moto alla ventola. Pilotando tramite una valvola il flusso di olio, è possibile quindi far variare il regime di rotazione, di solito fino all’80-90% del regime di rotazione in ingresso.

Di norma, la questione viene risolta con l’adozione di robusti telai di sostegno e/o il fissaggio del radiatore alla struttura della macchina tramite specifici tasselli di gomma (silent block) adeguatamente sovradimensionati.

I motori V-Twin CXi sono progettati per operare in condizioni critiche grazie al sistema brevettato per la gestione dei detriti a cinque stadi e al filtro dell’aria ciclonico, che impedisce l'ingresso di sporco e prolunga la durata del motore.

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.

Manutenzione degli scambiatori di calore

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.

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.

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.

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.

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).

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