Scambiatori di Calore per Olio Idraulico: Funzionamento e Manutenzione

Nel settore oleodinamico, in forte espansione grazie alla capacità di gestire potenze notevoli tramite componenti semplici e di dimensioni ridotte, gli scambiatori di calore svolgono un ruolo cruciale. L'oleodinamica, o oleoidraulica, studia la trasmissione dell'energia tramite fluidi in pressione, come l'olio idraulico, trovando applicazione soprattutto in ingegneria meccanica.

Gli scambiatori di calore sono impiegati per mantenere l’olio e i fluidi idraulici in genere entro un range prestabilito di temperatura. 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.

Installazione e Avviamento di un Sistema Oleodinamico

Se l’unità di alimentazione non viene installata immediatamente, deve essere conservata al chiuso, coperta con un foglio impermeabile e tutte le porte aperte collegate. L’unità di alimentazione deve essere installata all’interno e preferibilmente in un ambiente pulito e asciutto con una temperatura ambiente compresa tra 15 e 38 gradi. L’unità può essere installata all’aperto se il serbatoio è dotato di una struttura opzionale resistente alle intemperie e sono state predisposte per condizioni di temperatura estreme.

In presenza di uno scambiatore di calore raffreddato ad acqua: collegare l’alimentazione idrica all’ingresso dello scambiatore di calore, con una valvola di intercettazione e un filtro. Se è stata fornita una valvola di controllo della temperatura, deve essere installata anche sul lato di ingresso. L’uscita dello scambiatore di calore deve essere collegata direttamente al sistema di scarico dell’impianto. Negli scambiatori di calore a passaggio singolo i collegamenti dell’acqua devono essere installati come mostrato di seguito.

Completare tutte le necessarie tubazioni di interconnessione tra la parte di potenza e gli attuatori idraulici. Il serbatoio deve essere riempito con fluido pulito attraverso il tappo di riempimento sul serbatoio. Fare riferimento al catalogo del produttore del componente per i requisiti del fluido. La pulizia del fluido che entra nel serbatoio è molto importante e, in alcuni casi, anche l’olio nuovo fuori dal fusto non è adeguato. Raccomandiamo che qualsiasi fluido che viene trasferito nei serbatoio venga fatto con la pompa di trasferimento con un filtro da 10 micron installato.

Una volta avviato il motore, verificare che la pompa ruoti nella stessa direzione della freccia contrassegnata sul corpo della pompa. Azionare la pompa/il motore (3) per (6) volte per adescare la pompa e lasciar funzionare la pompa per diversi minuti a pressione zero. Controllare le connessioni per eventuali perdite e correggere immediatamente. Iniziare a regolare la valvola di sicurezza e/o il compensatore della pompa per aumentare gradualmente la pressione. Continuare ad aumentare la pressione fino ad ottenere la normale pressione operativa e ricontrollare il sistema per eventuali perdite.

Tipi di Scambiatori di Calore

Esistono diverse tipologie di scambiatori di calore utilizzati negli impianti oleodinamici:

• Scambiatori a fascio tubiero: Sono normalmente a fascio tubiero e con flussi in controcorrente. Questo permette la regolazione di temperatura dell’olio variando la portata dell’acqua.
• Scambiatori ad aria (radiatori): 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”.
• Scambiatori con gas di scarico: 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.

Manutenzione degli Scambiatori di Calore

La manutenzione degli scambiatori di calore è fondamentale per garantire un funzionamento efficiente e prolungarne la durata. Le attività principali includono:

• Monitoraggio delle temperature: Si tratta di monitorare le temperature di entrata e uscita dell’acqua e dell’olio secondo uno scadenziario adeguato.
• Pulizia delle superfici di scambio termico: Questo è particolarmente importante per gli scambiatori ad aria, dove le superfici alettate sono soggette a sporcamento. Una pulizia periodica con aria compressa è indispensabile.
• Controllo delle perdite: In caso di perdite d’olio, l’acqua di raffreddamento potrebbe risultarne contaminata: pertanto è obbligatorio usare circuiti chiusi.
• Manutenzione programmata: E’ pertanto caldamente raccomandabile stabilire un piano di manutenzione programmato che ne controlli lo stato periodicamente, provvedendo alla sostituzione in caso di deterioramento. Insieme a un’eventuale pulizia delle piastre e delle superfici di scambio termico e a una generale verifica dello stato dello scambiatore.

Problematiche legate all'acqua e alternative: Glicole, Dowtherm e Olio Minerale

L’acqua possiede, però, anche altre caratteristiche di cui spesso ci si dimentica nella progettazione degli impianti, come il residuo secco, l’ossidabilità e il pH. A causa dell’effetto corrosivo sull’impianto, è fondamentale tenere d’occhio anche la quantità di ossigeno e anidride carbonica disciolti nell’acqua. Il contenuto di questi gas varia con la temperatura dell’acqua, fenomeno comune in ogni impianto. Ciò porta alla variazione della pressione e alla formazione di bollicine, che si manifestano come piccole sacche d’aria nel sistema.

Con il tempo, i tubi e i canali dell'impianto si incrostano di calcare, riducendo la conducibilità termica del sistema e causando un aumento delle spese per il riscaldamento o del consumo di combustibile fino al 30-40%.

Esistono opzioni migliori? Dowtherm, glicole, olio minerale? In primo luogo, l'uso di questi fluidi elimina la necessità di trattare l'acqua per l'impianto e riduce il rischio di formazione di calcare nelle tubazioni di riscaldamento, evitando incrostazioni sui dispositivi e la conseguente riduzione dell'efficienza e la necessità di sostituzione più frequente. Tuttavia, presentano anche una serie di svantaggi. In pratica, il bilancio dei pro e dei contro di questi fluidi ci porta a concludere che si tratta di vettori di calore specializzati, destinati principalmente a spazi con specifiche esigenze, ad esempio industriali.

Dowtherm

Un fluido riscaldante dal nome esotico, ma poco pratico per le installazioni domestiche, è il dowtherm o etere difenilico. Utilizzato come vettore di calore quasi esclusivamente in impianti industriali altamente specializzati, presenta un interessante calore specifico, che varia tra 1,55 e 2,76 kJ/kgK. Anche il suo punto di congelamento di -55 gradi Celsius è notevole, permettendo l’uso in ambienti riscaldati solo occasionalmente. Tuttavia, l'etere difenilico è pericoloso per la salute e infiammabile, il che lo esclude dalle applicazioni domestiche e persino in ambienti industriali con lavorazioni a rischio di scintille, come la saldatura.

Olio Minerale

Il principale vantaggio dell'olio minerale è che non congela nel nostro clima. Con un punto di congelamento fino a -50 gradi Celsius, può essere utilizzato persino in Scandinavia o nelle regioni settentrionali della Russia. Rimane liquido in un ampio intervallo di temperature, con un punto di ebollizione tra 280 e 350 gradi Celsius, mentre il punto di infiammabilità non è rilevante per l'uso in questione. Come altri oli, non causa formazione di calcare né corrosione. Tuttavia, presenta degli svantaggi: è decisamente più costoso dell'acqua, soprattutto in impianti estesi, e nel tempo possono depositarsi resine oleose sulle superfici di scambio termico (radiatori, serpentine, scambiatori a piastre). Tende inoltre a ossidarsi facilmente, richiedendo uno sfiato più frequente.

Glicole Etilenico

Il glicole etilenico è una valida alternativa all'acqua negli impianti di riscaldamento (o meglio, in alcune sezioni di essi, come quelle esposte al rischio di congelamento, ad esempio un edificio secondario collegato all’impianto principale ma non riscaldato continuamente). Come l’olio minerale, non genera calcare. Il suo punto di congelamento varia da circa -17°C fino a -49°C, garantendo la protezione necessaria per l’impianto nel nostro clima. Il glicole ha i suoi vantaggi, ma anche alcuni svantaggi. Innanzitutto, è decisamente più costoso dell’acqua. Prima di decidere di usarlo, dobbiamo sapere che il glicole riduce la trasmissione di calore. Non congelando, cede anche meno facilmente l'energia termica rispetto all’acqua. Si stima che la trasmissione di calore sia inferiore dell'8% con una soluzione al 30% di glicole, fino a una riduzione del 15% con una soluzione al 50%.

I valori indicati vanno quindi abbinati alle effettive pressioni di lavoro: a temperatura più alta, infatti, la gomma diventa più morbida sopportando pressioni di lavoro minori. Fattori quali la temperatura e la natura dei fluidi, le condizioni di processo, le particelle sospese e uno scorretto impiego dei fluidi di pulizia possono anch’esse compromettere la durata e la tenuta dell’elastomero, comportando usura e rottura delle guarnizioni, con ricadute sul funzionamento dello scambiatore.

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.

Diagnostica Predittiva

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).

Tabella Comparativa Fluidi Termovettori

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