Sistema di Raffreddamento Idraulico: Funzionamento e Componenti Essenziali
Nei complessi sistemi di automazione e meccanici moderni, la gestione della temperatura è cruciale per il mantenimento dell'efficienza e della longevità delle macchine. Il surriscaldamento dei sistemi può causare danni significativi ai componenti della macchina, riducendone l'efficienza e la durata.
Chiller Olio: Componenti Fondamentali
Qui entrano in gioco i chiller olio, dispositivi indispensabili per le centraline idrauliche, che assicurano il corretto raffreddamento dei sistemi. Un chiller olio è un tipo di refrigeratore industriale che utilizza un circuito chiuso per raffreddare l'olio in applicazioni industriali, inclusi i sistemi idraulici.
Funzionamento dei Chiller Olio
Il processo di raffreddamento in un chiller olio inizia quando l'olio caldo proveniente dalla macchina entra nel chiller. L'olio passa attraverso uno scambiatore di calore, dove cede il suo calore al refrigerante circolante all'interno del chiller. Questo trasferimento di calore raffredda l'olio, che viene poi reimmesso nel sistema a una temperatura sicura e gestibile. L'uso dei chiller olio contribuisce anche a migliorare l'efficienza energetica dei sistemi.
Attraverso il loro meccanismo di raffreddamento, questi dispositivi assicurano che l'olio mantenga una temperatura ottimale, proteggendo così le macchine dal surriscaldamento e contribuendo alla loro efficienza energetica e longevità.
Scambiatori di Calore: Applicazioni e Funzioni
Un’applicazione molto comune degli scambiatori di calore è il loro utilizzo per il raffreddamento di impianti idraulici o di lubrificazione, ad esempio su macchine utensili e operatrici che utilizzano azionamenti idraulici e impianti oleodinamici per gli organi in movimento. In tutti questi settori, l’olio utilizzato per gli attuatori idraulici o semplicemente per la lubrificazione assorbe il calore ceduto dalle pompe e/o dal movimento meccanico generato.
Il calore accumulato dall’olio idraulico deve essere smaltito affinché l’olio mantenga le adeguate proprietà lubrificanti e di viscosità, in quanto una sua alterazione farebbe venir meno la corretta azione lubrificante con gravi danni per macchinari e impianti. Tutti gli impianti di questo genere sono pertanto dotati di un sistema di raffreddamento dell’olio mediante scambiatore di calore.
Anche in questo tipo di applicazioni, però, gli scambiatori di calore a piastre consentono di limitare lo spreco di acqua di rete, rispetto a soluzioni tradizionali (scambiatori a fascio tubiero, serpentini e così via). Sempre nel caso del raffreddamento ad acqua, occorre inoltre pensare alla possibile rottura meccanica di un tubo e di una piastra, che porterebbe alla miscelazione di acqua e olio. Se l’acqua entra nel circuito dell’olio, i danni causati alle macchine asservite ai circuiti idraulici possono essere molto gravi se non addirittura irrecuperabili.
Per evitare questo genere di problemi, si utilizza un metodo molto semplice, ovvero mantenere la pressione dell’olio circolante nel circuito idraulico maggiore di quella dell’acqua presente nel circuito di raffreddamento. In questo modo nella eventualità di una rottura può al limite avvenire un trafilamento di olio nell’acqua, che verrà intercettato da un calo del livello di olio nel serbatoio, monitorato da appositi livellostati.
Nella fattispecie, abbiamo realizzato un sistema di raffreddamento integrato a elevata efficienza, che prevede l’impiego di una serie di apparecchiature per garantire il corretto livello di temperatura, sia dell’olio idraulico che dell’olio da taglio. Il sistema si avvale di un gruppo frigorifero centralizzato, condensato ad aria, quindi con un circuito perfettamente sigillato, senza consumo di acqua. Entrambe sono poi state sottoposte a una analisi dei tempi di lavoro e dei tempi morti, ottimizzando la capacità del serbatoio volano.
Componenti Accessori e la Loro Importanza
L’aggettivo “accessori” serve più per distinguerli che per classificarli, visto che la loro funzione è determinante per valorizzare al meglio i pregi della trasmissione di potenza oleodinamica. Per facilitare l’analisi abbiamo diviso i componenti accessori in due gruppi: quelli dedicati alla regolazione del regime di flusso e quelli dedicati al collegamento delle varie parti del circuito.
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.
Tipologie di Scambiatori di Calore
Sono normalmente a fascio tubiero e con flussi in controcorrente. Questo permette la regolazione di temperatura dell’olio variando la portata dell’acqua.
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”.
Manutenzione degli Scambiatori di Calore
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.
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 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.
Serbatoi e Filtrazione dell'Olio
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.
Manutenzione Predittiva e Diagnostica
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).
Impianti Refrigeranti: Un Approfondimento
Un impianto refrigerante è un gruppo frigorifero, o gruppo frigo, che viene impiegato per raffreddare ambienti e spazi più o meno ampi. Gli impianti refrigeranti vengono utilizzati sia per la climatizzazione dei domicili privati che per edifici commerciali o industriali.
Il settore alimentare è l’ambito industriale in cui vengono impiegati più massicciamente gli impianti refrigeranti; secondo il Centro Studi Galileo, circa l’80% delle derrate che consumiamo vengono lavorate in aziende che impiegano processi di refrigerazione e di riscaldamento. Il sistema più diffuso tra tutte le tecnologie di refrigerazione esistenti è sicuramente il sistema di ciclo a compressione, anche detto ciclo di Kelvin.
Funzionamento degli Impianti Refrigeranti
Il funzionamento di questo tipo di impianto refrigerante è piuttosto semplice perché si tratta del processo esattamente inverso rispetto al funzionamento di una pompa di calore. Un compressore comprime il fluido (aria o acqua) che, di conseguenza, diminuisce il suo volume e aumenta la sua temperatura. Dopo la compressione, il fluido passa per uno scambiatore di calore situato esternamente rispetto all’ambiente da refrigerare e perde il calore accumulato.
In altre parole, il raffreddamento avviene in seguito alla compressione dei fluidi termovettori che trasportano l’energia termica prodotta all’interno dell’ambiente da raffreddare. Comprimendo questo fluido si produce calore che viene estratto tramite il passaggio nello scambiatore esterno. Il tipo di fluido termovettore che viene impiegato nella compressione determina la distinzione tra l’impianto refrigerante ad aria e quello ad acqua.
Si tratta di un impianto ad acqua, a singolo o doppio circuito, con unità esterna dotata di batterie supplementari per il raffreddamento gratuito dell’acqua durante l’inverno.
Sistema di Raffreddamento Auto: Componenti e Funzionamento
Quando durante la marcia si accende la spia della temperatura del liquido di raffreddamento del motore - rappresentata dal simbolo di un termometro immerso nel liquido - l’automobilista deve subito mettersi in allarme perché il motore si sta surriscaldando. L’impianto di raffreddamento serve infatti ad assicurare che il motore funzioni sempre entro una determinata temperatura di esercizio, indipendentemente dalla temperatura esterna, dalle condizioni climatiche o dallo sforzo del motore (salita, discesa, accelerazioni, ecc).
Il surriscaldamento motore può provocare danni irreparabili, ed è quindi opportuno che ogni componente del circuito di raffreddamento sia in buono stato di salute e funzioni correttamente.
Componenti Chiave del Sistema di Raffreddamento Auto
- Radiatore: Elemento fondamentale, costituito da un blocco di lamelle metalliche che fanno da scambiatore di calore acqua-aria.
- Liquido di Raffreddamento: Assorbe il calore in eccesso del motore e lo trasporta al radiatore.
- Ventola: Aiuta il radiatore quando l’aria esterna non è sufficiente a garantire un efficiente scambio di calore.
- Serbatoio di Espansione: Regola correttamente il liquido refrigerante all’interno del circuito.
- Pompa dell’Acqua: Fa circolare il liquido nel circuito.
- Termostato: Regola la portata del liquido a seconda della sua temperatura.
- Sensore di Temperatura: Misura la temperatura del liquido radiatore.
Radiatore: Funzione e Manutenzione
Il radiatore è attraversato dal liquido di raffreddamento che ha assorbito il calore del motore e che lo “cede” all’aria, raffreddandosi e ritornando in circolazione all’interno del motore. È questo continuo scambio di calore a garantire che il calore in eccesso si dissipi nell’aria esterna e che il motore possa mantenere una temperatura idonea senza surriscaldarsi.
La maggior parte delle sostituzioni del radiatore sono dovute a un incidente stradale o una collisione, che danneggiano la struttura lamellare del radiatore impedendogli di funzionare correttamente. Ma anche se si ravvisa una perdita di liquido può esserci un guasto al radiatore.
Potrebbe trattarsi di un evento accidentale, come un sasso o un frammento di materiale che urta il blocco del radiatore, ma anche la dilatazione termica potrebbe aver provocato un trafilamento del liquido in prossimità della vaschetta in plastica. Anche l’accumulo di calcare o residui di materiale o ruggine potrebbe ostruire parzialmente il passaggio del liquido dei tubi rendendo poco efficace il raffreddamento.
Liquido di Raffreddamento: Importanza e Sostituzione
Il liquido di raffreddamento passa per tutti i condotti del monoblocco e della testa del motore “assorbendone” il calore in eccesso prodotto dalla combustione e portandolo al radiatore dove avviene lo scambio con l’aria esterna. Il liquido di raffreddamento ha dunque un ruolo fondamentale nell’assicurare il raffreddamento del motore.
Il meccanismo è semplice: il liquido in entrata - più freddo della temperatura del motore - assorbe e trattiene il calore in eccesso aumentando esso stesso di temperatura e abbassando al contempo quella del motore.
Il liquido radiatore non dura all’infinito e con il tempo perde le sue proprietà e deve quindi essere sostituito, così come avviene per i lubrificanti. Il glicole (etilenico o propilenico) contenuto nel liquido nel tempo si degrada, e oltre a perdere efficacia potrebbe andare in ebollizione o addirittura ghiacciarsi, provocando seri danni al motore.
La formazione di ruggine e accumuli di materiale può inoltre danneggiare la girante metallica della pompa dell’acqua o intasare il termostato, compromettendo il corretto funzionamento del circuito di raffreddamento.
Ventola di Raffreddamento: Funzione e Gestione
La ventola “viene in aiuto” del radiatore quando l’aria che lambisce la parte radiante non è più sufficiente a garantire un efficiente scambio di calore. Ciò avviene quando l’auto si muove lentamente o è ferma, mentre quando il veicolo corre a una velocità adeguata il radiatore è in grado di lavorare senza l’aiuto della ventola (essendo attraversato da un forte flusso d’aria).
La ventola di raffreddamento, gestita da un’apposita centralina che ne regola velocità di rotazione in base alla temperatura del liquido refrigerante, genera dunque un flusso d’aria forzata che raffredda il radiatore e il liquido circolante in esso.
Le ventole vengono sono azionate dalla centralina anche per togliere calore da altri componenti, come condensatore del clima, cambio automatico, ecc.
Serbatoio di Espansione: Funzione e Materiali
Il serbatoio di espansione - conosciuto anche come vasca di espansione o vaso di espansione - è un altro importante componente del circuito di raffreddamento dell’auto. La sua funzione è quella di regolare correttamente il liquido refrigerante all’interno del circuito.
La vaschetta di plastica trasparente che costituisce il serbatoio di espansione permette di rabboccare il circuito tramite l’apertura di un tappo, mentre dal basso consente al refrigerante di essere prelevato per alimentare l’impianto. La qualità della plastica con cui viene realizzato il serbatoio è importante, visto che deve sopportare stress termici e vibrazioni.
Il tappo del Serbatoio Espansione, insieme al termostato, funge da valvola di sicurezza dell’intero sistema di raffreddamento.
La sostituzione di un manicotto di gomma dell’impianto di raffreddamento è un intervento quasi inevitabile nel corso della vita di un’auto. Invecchiando ed essendo sottoposta a sbalzi termici la gomma perde infatti le sue caratteristiche fisico-meccaniche.
Altro componente chiave dell’impianto di raffreddamento è il termostato, che ha la funzione di regolare la portata del liquido a seconda della sua temperatura. È costituito da un bulbo in cera che si allunga o si contrae a seconda della temperatura. A temperatura ambiente è chiuso, ma via via che la temperatura del motore aumenta la parte in cera si allunga lasciando passare l’acqua al radiatore prima di rientrare al motore.
Il sensore di temperatura del liquido di raffreddamento consente di misurare la temperatura del liquido radiatore in modo tale da consentire alla centralina di regolare una serie di parametri tra cui l’iniezione del combustibile. Tutti i motori sono dotati di un sensore di temperatura, la cui resistenza decresce all’aumentare della temperatura. Tale valore è inviato alla centralina.
Soluzioni di Raffreddamento HYDAC a EIMA International 2022
Durante l’edizione di EIMA International 2022 sarà possibile apprezzare diverse soluzioni per il raffreddamento di HYDAC tra cui quelle specifiche per l’elettrificazione e la sostenibilità delle macchine agricole. HYDAC propone la sua esperienza e tecnologia in campo di raffreddamento sia per i singoli componenti protagonisti dell’elettrificazione (ECU, inverter, pacchi batterie) attraverso le piastre refrigeranti Cooltech sia per l’intero sistema elettrificato.
Le piastre refrigeranti a disegno Cooltech sono progettate specificatamente con diverse architetture (RB, FF, MC) in funzione delle specifiche richieste progettuali e potenze da dissipare offrendo soluzioni di condizionamento flessibili e customizzate. I sistemi di raffreddamento FLKS sono sistemi integrati completi di massa radiante, serbatoio liquido di raffreddamento, pompa di ricircolo e fan elettrico in un’unica soluzione compatta ed efficiente, assicurando così il corretto mantenimento e funzionamento di tutti i componenti elettrici/elettronici di una macchina elettrificata.
| Componente | Funzione Principale |
|---|---|
| Chiller Olio | Raffreddamento dell'olio in sistemi idraulici industriali |
| Scambiatore di Calore | Trasferimento di calore tra fluidi per mantenere temperature ottimali |
| Radiatore | Dissipazione del calore dal liquido di raffreddamento nell'aria (sistemi auto) |
| Liquido di Raffreddamento | Assorbimento e trasporto del calore dal motore al radiatore (sistemi auto) |
| Ventola | Aumento del flusso d'aria attraverso il radiatore per un raffreddamento più efficiente (sistemi auto) |
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