Le macchine idrauliche utilizzano la potenza di un fluido per compiere lavoro e sono impiegate in numerose applicazioni pesanti. Il vantaggio principale di una trasmissione idraulica è la sua capacità di trasmettere grandi potenze a distanza tramite tubi flessibili, realizzando trasmissioni disassate e capaci di assorbire picchi di carico. Inoltre, la gamma di attuatori standardizzati utilizzabili è molto ampia.
Un'altra caratteristica fondamentale dei sistemi a trasmissione idrostatica è la possibilità di moltiplicare la forza o la coppia in modo semplice e indipendente dalla distanza fra ingresso e uscita, senza collegamenti meccanici. Questa moltiplicazione si può realizzare in vari modi, ad esempio, con i cilindri idraulici, dove basta modificare l’area del pistone per ottenere una forza maggiore a pari pressione.
La potenza idraulica è esprimibile come prodotto tra portata e pressione (P = Q p). In realtà, la potenza reale è diversa dalla potenza teorica, quindi si introducono diversi rendimenti, sempre inferiori a 1: il rendimento volumetrico (ηq) e il rendimento meccanico (ηp) o di pressione.
- Per una pompa, il rendimento volumetrico esprime la portata perduta (Qeff = ηq Qteorica).
- Il rendimento meccanico invece (ηp) viene espresso in funzione della perdita di pressione (peff = ηp pteorica).
Per un motore le relazioni vengono invertite, in quanto il motore deve elaborare più fluido (e quindi portata) per ottenere la potenza teorica.
Oltre alle perdite nelle pompe e nei motori, vanno considerate le perdite all’interno dei circuiti con trasmissioni idrostatiche. Queste sono generalmente di due tipi: localizzate o distribuite. Le seconde sono relative alla resistenza dovuta al flusso di fluido all’interno delle tubazioni.
Come già spiegato, il fluido idraulico è il mezzo che permette la trasmissione idrostatica della potenza nel circuito. Sono solitamente olii di origine petrolifera, con aggiunta di vari additivi. I campi di temperature ammesse sono, per funzionamento continuo, 130°C per olii di origine petrolifera, 200°C per esteri siliconici e 260°C per esteri.
Componenti Principali dei Circuiti Idraulici
Le pompe idrauliche forniscono fluido ai componenti nel sistema, ricevendo potenza da un motore elettrico o a scoppio, connesso tramite cinghie, ingranaggi, o accoppiamenti flessibili. Le pompe a ingranaggi sono economiche, a durata elevata e dal funzionamento semplice, ma meno efficienti perché hanno una cilindrata fissa e sono utilizzate per pressioni sotto ai 20 MPa.
Il funzionamento è molto semplice: un motore fa ruotare una delle due ruote dentate, che trascina l’altra. Il fluido viene trascinato nei vani che si realizzano fra i fianchi dei denti e la superficie cilindrica del corpo pompa. In questo modo si genera una portata volumetrica, mentre una piccola parte di fluido defluisce all’indietro (abbassando quindi l’efficienza). Sono pompe molto diffuse, soprattutto per le applicazioni a funzionamento continuativo.
Le pompe a pistoni assiali vengono progettate in genere con un meccanismo a spostamento variabile, per modificare il flusso in uscita e controllare la pressione del sistema. In genere è presente un corpo cilindrico rotante con cilindri scavati. I pistoni sono collegati mediante cerniere e pattini al piatto inclinato (che è fisso rispetto al carter); i pistoni sono trascinati dal corpo rotante.
In un sistema a trasmissione idrostatica, i motori assorbono la potenza idraulica generata dalla pompa. Come già visto è possibile regolare la cilindrata della pompa modificando la corsa dei pistoni, ma è anche possibile modificare la velocità di rotazione del motore, e di conseguenza della pompa.
Componenti Accessori e Manutenzione
I componenti accessori sono determinanti per valorizzare al meglio i pregi della trasmissione di potenza oleodinamica. Per facilitare l’analisi, i componenti accessori sono divisi 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. 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.
Gli scambiatori di calore sono normalmente a fascio tubiero e con flussi in controcorrente, permettendo 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, strettamente correlata alla pulizia delle superfici di scambio.
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.
Funzione fondamentale degli accumulatori è mantenere il più possibile regolare nel tempo l’andamento dei valori di pressione e di portata dell’olio che circola nel sistema oleodinamico, rendendone “fluide” e senza picchi le variazioni. Spesso infatti sono detti anche “smorzatori”. Fisicamente questo compito viene svolto da un fluido comprimibile, tenuto separato dall’olio e in grado di comprimersi od espandersi in funzione e sincronia con le fluttuazioni di pressione dell’olio stesso.
Impianti Idrici a Collettore: Una Soluzione in Parallelo
L’impianto idrico a collettore è una delle alternative per la realizzazione dell’impianto di carico in cui il collettore funziona da distributore centrale idrico e la rete di distribuzione è realizzata in parallelo.
In questa soluzione il collettore, realizzato a parete, funziona da distributore centrale idrico, è da qui che partono tutte le tubazioni della rete di distribuzione. La rete di distribuzione è a sua volta realizzata in parallelo, questo vuol dire che ogni singolo punto di erogazione - sanitari, lavabi, lavelli, doccia, vasca, lavastoviglie, etc. - è servito da una singola tubazione di acqua fredda e una di acqua calda.
Per la realizzazione di questa tipologia di impianto è possibile utilizzare tubazioni di differente materiale, come:
- tubazioni Mannesmann
- rame duro, semiduro o ricotto
- materiale plastico
- multistrato
Fra i materiali appena elencati quelli di gran lunga più utilizzati sono i tubi in multistrato. Queste tubazioni risultano infatti facili da posare, economiche e resistenti.
Il funzionamento di un impianto idrico a collettore è molto efficiente: l’acqua viene pompata dal serbatoio o dalla rete pubblica al collettore centrale, da qui viene distribuita a tutte le tubature indipendenti che alimentano i vari punti di erogazione. Il flusso dell’acqua è regolato da valvole poste sui singoli rubinetti, che permettono di intercettare e gestire le singole utenze.
Differenze tra Impianto a Collettore e Impianto a Derivazione
L’impianto di carico realizzato in derivazione differisce concettualmente e praticamente da quello a collettore per molti aspetti. L’impianto di carico in derivazione prevede l’installazione di una tubazione principale (dorsale), rigida, che sarà deviata per ogni singolo punto di erogazione.
La derivazione, dalla tubazione principale rigida alle singole utenze, è realizzata in serie ed è resa possibile dall’utilizzo di particolari componenti idraulici ovvero i raccordi TEE. Questi raccordi, comunemente chiamati a “T”, sono costituiti da tre porte, una di ingresso e due di uscita, e permettono di deviare l’acqua in funzione del comando.
Tabella Comparativa
| Caratteristica | Impianto a Collettore | Impianto a Derivazione |
|---|---|---|
| Distribuzione | Parallelo | Serie |
| Tubazioni | Singole per ogni utenza | Dorsale con derivazioni |
| Manutenzione | Semplice, senza interruzioni generali | Complessa, richiede interruzioni |
Tipologie di Collettori
Tutte le tipologie di collettore presenti sul mercato rispondono a precise specifiche tecniche e ad esigenza di sicurezza e resistenza alle rotture. Sono quasi sempre realizzate in ottone e risultano compatibili con tubazioni in rame, plastica e multistrato. Qualsiasi tipologia di collettore dovrà inoltre garantire:
- equilibratura della distribuzione d’acqua ad ogni singolo rubinetto
- semplicità di manutenzione
Le tipologie di collettore più diffuse sono tre:
- collettori di distribuzione con intercettazioni singole
- collettori di distribuzione con intercettazioni generali
- gruppo con intercettazioni generali
Vantaggi e Svantaggi degli Impianti a Collettore
I vantaggi di un impianto di carico a collettore sono:
- assenza di giunzioni sottotraccia
- rischio di lesione o rotture durante la messa in esercizio pressoché assente
- possibilità di gestione delle singole utenze separatamente senza dover interrompere la distribuzione dell’acqua anche agli altri punti di erogazione
- impianto sempre ben bilanciato, senza cali di pressione o di acqua calda, anche in caso di prelievi simultanei
- fruizione dell’acqua calda in tempi rapidi
- facilità di posizionamento e installazione
Gli svantaggi dell’impianto di carico a collettore sono:
- costo di realizzazione più elevato dovuto alla maggiore lunghezza della rete di distribuzione
- in base al numero dei punti di erogazione, il collettore può arrivare a dimensioni relativamente grandi e quindi risultare troppo ingombrante soprattutto se gli ambienti di installazione sono piccoli
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