Circuiti idraulici: scambiatori di calore e serbatoi

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 dividiso i componenti accessori in due gruppi: quelli dedicati alla regolazione del regime di flusso e quelli dedicati al collegamento delle varie parti del circuito. Vengono assunti come:

Componenti di regolazione: accumulatori, scambiatori di calore, serbatoi e filtri.

Componenti di collegamento: tubi rigidi, tubi flessibili, raccorderia /guarnizioni

In questo articolo completeremo la trattazione dei componenti accessori “di regolazione”, ad eccezione dei filtri che, avendo un’importanza fondamentale ed una diversificazione particolarmente complessa saranno trattati in forma specifica.

Scambiatori di calore

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. Si produce dunque uno spreco ma anche un potenziale danneggiamento delle caratteristiche dell’olio indotte dall’aumento della temperatura oltre i limiti consentiti.

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. Quando la dispersione di calore operabile dal serbatoio non è sufficiente, occorre inserire nel circuito uno scambiatore di calore opportunamente dimensionato, caratterizzato dalla capacità di raffreddare rapidamente volumi di olio relativamente piccoli, in modo da evitare accumuli di olio troppo caldo nel serbatoio stesso.

Nella pratica comune esistono essenzialmente due tipi di scambiatori: ad acqua e ad aria.

Scambiatori di calore ad acqua

Sono normalmente a fascio tubiero e con flussi in controcorrente. Questo permette la regolazione di temperatura dell’olio variando la portata dell’acqua. Risultati ancora più precisi si ottengono se è possibile variare anche la temperatura dell’acqua stessa.

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 rilevazione di situazioni diverse da quelle attese si lancia la “Richiesta di Lavoro” alla Manutenzione.

In caso di perdite d’olio, l’acqua di raffreddamento potrebbe risultarne contaminata: pertanto è obbligatorio usare circuiti chiusi. Il raffreddamento ad acqua richiede quindi installazioni fisse di grandi dimensioni, con bacini di accumulo /intercettazione e sistemi di refrigerazione per l’acqua (torri di refrigerazione o altri sistemi).

figura 1

Scambiatori di calore ad aria

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”. Per avere una buona portata d’aria è indispensabile un flusso forzato della stessa: si usano ventilatori o dispositivi analoghi.

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. Anche eventuali “ammaccature” del pacco alettato devono essere riparate per evitare variazioni di flusso e riduzioni di scambio termico.

figura 2

Una puntualizzazione

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. Poiché il fabbisogno più corrente è essenzialmente di raffreddamento, si dovrebbe più propriamente parlare di refrigeratori.

Non è però sempre così: con temperature esterne molto basse si rende necessario uno scambio termico inverso, con cessione di calore all’olio o al fluido idraulico, che altrimenti sarebbe troppo viscoso ed inutilizzabile.

Un metodo consiste nel far circolare un fluido diatermico a temperatura nettamente più elevata di quella ambiente in appositi elementi scambiatori situati nei serbatoi a monte delle pompe principali, in modo che almeno gli elementi operatori possano iniziare a lavorare in condizioni non troppo dissimili da quelle previste come “a regime”.

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. Considerando che si tratta di motori a ciclo Diesel, salvo forse alcuni equipaggiamenti militari, la manutenzione consiste anche qui sostanzialmente in una sistematica pulizia /disincrostazione.

Serbatoi

I motivi ( le funzioni svolte) per cui i serbatoi sono classificati a pieno titolo tra i componenti di regolazione e non come semplici contenitori sono numerosi e sintetizzabili come segue.

  • Scambio termico: raffreddamento a regime e/o riscaldo in avviamento (climi freddi, viscosità elevata), in “affiancamento” agli scambiatori veri e propri. Nelle figure: presenza di diaframma.
  • Spurgo dell’aria e degli areiformi in genere (bollicine in risalita), grazie alla permanenza in regime di moto lento Nelle figure: presenza di diaframma e sfiatatoio con filtro aria
  • Prima purificazione/separazione di particelle solide estranee via decantazione sul fondo. Nelle figure: rubinetto di spurgo e presenza di diaframma.
  • Prima filtrazione ( in aspirazione ). Nelle figure: filtro 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. I sistemi di pressurizzazione sono del tutto analoghi a quelli usati per gli accumulatori (gas in pressione o molla-pistone e valvola di sicurezza).

Come si vede dalle figure la struttura del serbatoio tipico (non pressurizzato, nel caso rappresentato), deve rispondere a requisiti non solo funzione dell’esercizio ma anche funzione della manutenibilità.

figura 3

figura 4L’espressione non in dica soltanto una “virtù” generica: la mautenibiità è un parametro (quindi misurabile e misurato) classificato da UNI 9910 – Riferimento 191.13.01: [Manutenibilità ] la probabilità che un’azione di manutenzione attiva, per un’entità data, utilizzata in condizioni assegnate, possa essere eseguita durante un intervallo di tempo dato, quando la manutenzione è assicurata nelle condizioni date e mediante l’uso di procedure e mezzi prescritti.

Una buona parte di manutenzione preventiva è eseguibile vantaggiosamente in automanutenzione: spurgo periodico delle morchie dal fondo (dal rubinetto di spurgo) e controllo sistematico del livello.

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. I vantaggi sono notevoli: a titolo esemplificativo e non esaustivo, si eliminano impurità che possono creare problemi nei passaggi di piccolo diametro e si allungano i tempi di sostituzione della carica.

figura 5.1

figura 5.3

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. Il rubinetto di spurgo non è consigliabile.

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). Va corredato di almeno una presa per campioni di olio se si vuole attivare la manutenzione predittiva (manutenzione migliorativa), mentre la filtrazione con filtro carrellato può avvenire utilizzando il foro di riempimento e il rubinetto di spurgo (fase progettuale, per altri scopi e utilizzabile per la manutenzione).