Le macchine idrauliche sono utilizzate in numerose applicazioni pesanti e sono definite come quella particolare categoria di strumenti e macchinari che utilizzano la potenza di un fluido per compiere lavoro.
Vantaggi delle Trasmissioni Idrauliche
Il vantaggio principale di una trasmissione idraulica è il fatto di permettere la trasmissione di grandi potenze a qualunque distanza e tramite tubi flessibili: questo consente di realizzare trasmissioni disassate e senza particolari vincoli di allineamento, con il vantaggio intrinseco di avere un’ottima capacità di assorbire i picchi di carico derivanti da urti e sovraccarichi. Inoltre la gamma di attuatori standardizzati che possono essere utilizzati nelle trasmissioni idrauliche 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 - di nuovo - in maniera indipendente dalla distanza fra ingresso e uscita, senza la necessità di un collegamento meccanico (ingranaggi, cinghie, pulegge). Questa moltiplicazione si può realizzare in vari modi; come esempio si può pensare ai cilindri idraulici, in cui basta modificare l’area del pistone (a pari pressione) per ottenere una forza maggiore.
Circuiti Aperti vs. Circuiti Chiusi
Nel caso dei circuiti aperti si utilizzano pompe che forniscono una portata continua di fluido, anche pompe economiche, a cilindrata costante; la gamma dei componenti accessori si limita a valvole di sfogo (per evitare sovraccarichi di pressione) e valvole di controllo (per permettere il deflusso del fluido verso il serbatoio). Per permettere il funzionamento del motore in entrambi i sensi di rotazione, è necessario invertire il flusso del fluido.
I circuiti chiusi invece permettono il funzionamento anche in modalità reversibile, ovvero con il motore che assorbe potenza (frenando l’utilizzatore). Per evitare la cavitazione, tutte le condotte vengono alimentate da una pompa ausiliaria, che fornisce una portata di poco superiore a quella di trafilamento. Una valvola di massima pressione scarica la portata in eccesso.
Potenza Idraulica e Rendimento
La potenza idraulica è esprimibile come prodotto fra portata e pressione (P = Q p). In realtà la potenza reale è diversa dalla potenza teorica.
Si introducono quindi 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.
Perdite nei Circuiti Idrostatici
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. Anche queste vengono in genere fornite dal produttore dei tubi, in genere con abachi che legano la perdita alla lunghezza della tubazione, alla sua dimensione e alla velocità del fluido.
Fluidi Idraulici
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.
Pompe Idrauliche: Tipi e Funzionamento
Le pompe idrauliche forniscono fluido ai componenti nel sistema. Solitamente ricevono potenza da un motore elettrico o a scoppio, connesso tramite cinghie, ingranaggi, o accoppiamenti flessibili. Economiche, a durata elevata, dal funzionamento semplice. Sono meno efficienti perché hanno una cilindrata fissa, e sono solitamente 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. 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. Un’altra modalità costruttiva è quella a corpo inclinato.
Nelle pompe a pistoni assiali il numero cilindri è in genere 5 o 7, comunque dispari (per evitare punti morti). Nelle pompe a cilindrata variabile, la portata può variare per effetto di due regolazioni. 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.
Motori Idraulici
In un sistema a trasmissione idrostatica assorbono la potenza idraulica generata dalla pompa.
Predimensionamento di un Circuito Idraulico
Ipotizziamo di voler effettuare un predimensionamento di un circuito idraulico semplice, costituito da due motori che assorbono 80 Nm a 60 giri/min (500 W circa). Da catalogo si ricava il diagramma di funzionamento del motore scelto. La cilindrata richiesta Vr è pari a V = Q 1000 / n. Ipotizzando di fornire potenza alla pompa tramite un motore operante a 1000 giri/min, si ricava una cilindrata di 8.2 cm3, il 45% della cilindrata massima.
Una volta scelti i componenti principali non resta che scegliere i tubi. La scelta è facilitata dai cataloghi dei produttori, che forniscono abachi per il calcolo del diametro dei tubi in funzione della pressione. Lo stesso vale per i raccordi e per le valvole di controllo; una volta scelti questi componenti e calcolate le perdite distribuite e concentrate, è utile ricalcolare la pressione e la portata richieste alla pompa, per valutare se si è ancora nel campo di regolazione della stessa.
Oleodinamica: Principi e Componenti
L’oleodinamica è una tecnica che utilizza i fluidi per generare pressione e convertirla in energia meccanica. I cilindri e le pompe idrauliche consentono di sollevare carichi pesanti con il minimo sforzo. Questi vengono inoltre utilizzati anche nelle frizioni o nei sistemi frenanti dei veicoli commerciali.
La parola oleodinamica è composta da due parole greche: “élaion”, riferito a sostanze dotate di untuosità, e “dynamikós” riferito alla forza e al movimento. Da ciò si può dedurre in cosa consiste un sistema oleodinamico: un fluido viscoso viene immesso in un sistema chiuso dove successivamente viene creata o aumentata una certa pressione per azione meccanica o statica.
In entrambi i processi, la pressione che si crea viene trasmessa attraverso tubi o sistemi di tubature fino a innescare la reazione (meccanica) desiderata in un punto specifico. In virtù del loro semplice funzionamento, gli impianti oleodinamici vengono utilizzati in un’ampia gamma di aree di lavoro.
Per il funzionamento di sistemi oleodinamici viene raramente utilizzata l’acqua. Di solito tali impianti vengono azionati con l’aiuto di un olio speciale (olio idraulico). Grazie alle sue proprietà, l’olio è perfettamente idoneo a garantire un funzionamento delicato all’interno della meccanica di precisione di macchine e motori.
Come oli oleodinamici si possono utilizzare, a seconda del settore di applicazione, oli minerali, oli vegetali, emulsioni acqua-olio o fluidi sintetici. I sistemi oleodinamici possono movimentare grandi carichi con una forza facile da gestire.
Funzionamento dell'Oleodinamica Passo dopo Passo
- Aumento della pressione: La pompa idraulica viene azionata manualmente (ad esempio azionando una leva o un pedale) o tramite un motore. Il movimento del pistone riduce lo spazio per l’olio idraulico. La pressione continua a salire.
- Distribuzione del volume o del flusso: Il fluido in pressione è chiamato anche volume o flusso. Questo viene distribuito attraverso i tubi idraulici del sistema. Nei sistemi oleodinamici complessi è possibile utilizzare delle valvole per controllare la direzione del flusso volumetrico.
- Conversione in energia meccanica: Una volta che il fluido si è diffuso attraverso i tubi e ha accumulato una pressione sufficiente, attiva un secondo cilindro o motore idraulico (cilindro idraulico doppio effetto) che è responsabile del processo corrispondente (ad esempio, il sollevamento di una piattaforma o l’attivazione del freno).
- Ritorno del fluido idraulico: Infine, per abbassare nuovamente la pressione nel caso di sistemi manuali a molla (in un sistema frenante, ad esempio), è sufficiente riposizionare la leva nella sua collocazione iniziale. Sulle macchine edili più grandi o su elevatori idraulici potenti è presente di solito un secondo interruttore che abbassa il pistone e, se necessario, apre una valvola di ritorno in modo che il fluido idraulico venga nuovamente distribuito in maniera uniforme all’interno del sistema.
Nota bene: Il funzionamento della centralina oleodinamica è essenziale per gestire la distribuzione del fluido e il controllo delle valvole, inclusa la valvola di massima pressione. Anche se le modalità di funzionamento sono molto simili, l’oleodinamica presenta alcuni vantaggi rispetto alla pneumatica. I sistemi e gli azionamenti oleodinamici sono estremamente potenti.
Applicazioni dell'Oleodinamica
- Macchine agricole e da costruzione: accessori per escavatori, gru, trattori e benne ad alto ribaltamento
- Officina meccanica: piattaforme di sollevamento, utensili, sollevatori idraulici
- Ingegneria automobilistica: frizione, freni, servosterzo, telaio
- Ingegneria logistica: carrelli elevatori, transpallet manuali
- Impianti di sollevamento
- Produzione: presse idrauliche, banchi prova, nastri trasportatori
Vantaggi di un Sistema Oleodinamico
- Elevata trasmissione di potenza
- Ingombro relativamente ridotto
- Buona adattabilità alle contingenti condizioni di spazio grazie a tubi e collegamenti flessibili
- Idoneità anche per macchine di precisione grazie a sequenze di movimento lente e regolabili separatamente
- Lunga durata e bassa usura (se mantenuti e utilizzati seguendo le istruzioni)
- L’olio idraulico previene l’attrito e allo stesso tempo svolge una funzione refrigerante, aumentando così la durata del sistema
La centralina oleodinamica è fondamentale per il corretto funzionamento del sistema. Regola la pressione e il flusso del fluido idraulico, garantendo l’efficienza e la sicurezza dell’intero circuito.
Sistemi di Riscaldamento: Chiusi vs. Aperti
Quando si esegue una ristrutturazione completa del sistema di riscaldamento o si costruisce una casa, spesso si incontrano i concetti di sistema chiuso e sistema aperto. È utile sapere cosa significano e in cosa si differenziano.
In generale, si utilizzano due principali categorie di sistemi di riscaldamento centralizzato, ossia il sistema aperto e il sistema chiuso. I due sistemi si differenziano tra loro per caratteristiche e funzionalità completamente diverse, quindi non è possibile scegliere liberamente uno o l’altro.
Ogni sistema è progettato per funzionare con specifici tipi di apparecchiature di riscaldamento e presenta vantaggi rispetto all'altro o, in alcuni aspetti, è meno efficiente. Il sistema chiuso è considerato più moderno, ma ciò non significa che sia sempre applicabile.
Sistemi Aperti
L'impianto aperto nel riscaldamento centralizzato si distingue per il fatto che il sistema non è completamente sigillato, ma deve avere un punto di contatto con l'aria. L'acqua calda che alimenta i radiatori per riscaldare l'ambiente domestico circola in un sistema di tubazioni che, di norma, ha un vaso di espansione aperto posizionato nel punto più alto del circuito (di solito in soffitta o sul sottotetto). Quando l'acqua nel sistema viene riscaldata (grazie alla caldaia, al caminetto, ecc.), la pressione aumenta e il coperchio del vaso di espansione si solleva.
Sebbene questa affermazione sia generalmente vera, in alcune situazioni l’impianto aperto presenta dei vantaggi. Prima di tutto, un impianto aperto di riscaldamento centralizzato permette il funzionamento gravitazionale, che di fatto non funzionerebbe nei moderni impianti chiusi di riscaldamento centralizzato che richiedono pompe di circolazione.
Il sistema gravitazionale funziona sulla base delle variazioni di pressione nelle diverse parti del sistema di riscaldamento - quindi l'acqua comincia a circolare autonomamente man mano che si avvia il riscaldamento (semplificando - quando si accende la caldaia o, ad esempio, un camino). Poiché questi dispositivi non si spengono da soli, possono causare il surriscaldamento del sistema di riscaldamento centralizzato e un pericoloso aumento della pressione nei tubi.
Un impianto aperto di riscaldamento centralizzato ha il vantaggio che, in caso di surriscaldamento del sistema e aumento della pressione, il vaso di espansione si aprirà automaticamente, riducendo la pressione nell'impianto e scaricando parte dell'acqua nel sistema fognario. Inoltre, parte dell'acqua evaporerà semplicemente attraverso il vaso di espansione aperto.
Il fatto che in un sistema aperto l’acqua abbia accesso all’aria ha un effetto benefico nel proteggere l’impianto da un aumento eccessivo della pressione. Tuttavia, questo è anche il motivo principale per cui i sistemi aperti sono considerati più dannosi. L’evaporazione dell’acqua dal sistema rende necessaria l’aggiunta di nuova acqua. Sappiamo che l’acqua, contenendo minerali come magnesio e calcio, favorisce la formazione di calcare.
Il calcare è un problema enorme che influisce negativamente sull’efficienza dei sistemi di riscaldamento. L’accesso dell’aria all’acqua aumenta anche il potenziale corrosivo sugli apparecchi presenti nel sistema, come radiatori, scambiatori di calore, boiler, portando a una loro più rapida sostituzione e a un generale inquinamento dell’impianto.
Sistemi Chiusi
Un impianto chiuso di riscaldamento centralizzato è l’opposto di un impianto aperto. Anche questo deve avere la possibilità di neutralizzare la pressione eccessiva in caso di surriscaldamento del sistema - questo avviene però attraverso vasi di espansione chiusi. Non sono probabilmente così efficaci come i vasi di espansione aperti, ma - per dirla in breve - non è necessario che siano altrettanto efficienti.
Il sistema chiuso è progettato per funzionare con apparecchi di riscaldamento moderni, dotati di sensori di temperatura che si spengono automaticamente, proteggendo il sistema dal surriscaldamento. Il vantaggio principale di un sistema chiuso è la mancanza di potenziali danni causati da corrosione o accumulo di calcare.
Tuttavia, in un sistema chiuso l'acqua non entra in contatto con l'aria. Di conseguenza non evapora. In questa situazione, si aggiunge raramente nuova acqua al sistema, rimanendo sempre la stessa.
Come già accennato, un sistema aperto non è raccomandato per il riscaldamento a pavimento. Il sistema chiuso, grazie alla mancanza di potenziale rischio di ostruzione dei tubi sottili del riscaldamento a pavimento, può essere utilizzato sia con il riscaldamento a pavimento che con i radiatori.
Infatti, quasi nessun produttore di caldaie a gas o pompe di calore consente l’utilizzo dei propri dispositivi in sistemi aperti. In un sistema chiuso, l’ambiente è molto sicuro, perciò rappresenta l’unica soluzione possibile se desideri installare una pompa di calore o una caldaia a gas moderna.
Se desideri quindi avere in casa un sistema chiuso “più sano” e “più pulito”, non potrai collegare direttamente una caldaia a carbone o una cosiddetta “caldaia spazzatura”. Un altro svantaggio del sistema chiuso è che, in impianti di questo tipo con tubazioni più sottili, il funzionamento gravitazionale non è praticabile - sarà quindi necessaria una pompa di circolazione.
Gli impianti senza pompa (decisamente sconsigliati nei sistemi chiusi) possono funzionare in determinate condizioni e in passato erano addirittura la norma. Per quanto riguarda la nostra opinione, se si opta per un sistema con vaso di espansione aperto, consigliamo un sistema aperto con pompa. Questo tipo di sistema sarà decisamente più efficiente e permetterà di evitare stanze non sufficientemente riscaldate.
Combinazione di Sistemi Aperti e Chiusi
Sì, tecnicamente è possibile avere un sistema aperto e chiuso all’interno dello stesso edificio. Inoltre, non si tratta di una soluzione strana o eccentrica, ma di una pratica comunemente utilizzata nella modernizzazione delle case più vecchie.
Sebbene nell’installazione del riscaldamento in case nuove si scelgano generalmente pompe di calore, caldaie a gas, caldaie elettriche a basso consumo o moderne caldaie a pellet, e quindi si opti direttamente per un sistema chiuso (soprattutto perché questo si adatta meglio ai progetti con riscaldamento a pavimento), negli edifici più vecchi di solito era originariamente presente un sistema aperto di riscaldamento centralizzato.
Esempi di Combinazione
- Caldaia a gas per una vecchia casa con un impianto aperto: collegamento di una caldaia a gas.
- Collegamento di una caldaia a carbone a un impianto aperto.
- Collegamento di una pompa di calore a un vecchio impianto aperto.
Adeguamento di un Impianto Condominiale da Vaso Aperto a Chiuso
Nel contesto di un adeguamento di un impianto condominiale da vaso aperto a vaso chiuso, è essenziale considerare diversi aspetti. Un contro è l'accessibilità, specialmente se il vaso aperto è situato in una zona accessibile solo tramite l'alloggio dell'ultimo piano. Tuttavia, è fondamentale valutare come funziona l'impianto esistente e le sue caratteristiche.
Uno dei vantaggi nel passaggio da vaso aperto a chiuso è che, se si rileva una situazione di installazione del vaso aperto non conforme (contro norma di sicurezza per esempio), il contratto di terzo responsabile è nullo e la responsabilità dell'impianto è in capo al condominio. Questo può portare a problemi legali se il condominio non ha le competenze per l'esercizio e la manutenzione dell'impianto.
Il vaso chiuso, se installato come di solito in centrale termica al piano fondi, può occupare più spazio. Tuttavia, il fatto che sia in centrale termica può essere un vantaggio. Inoltre, non sempre è necessario installarlo in mezzo ai piedi, e può essere installato in sospensione con adeguati sostegni, a seconda della potenza dell'impianto. Da non sottovalutare gli obblighi amministrativi, ovvero se l'attuale impianto a vaso aperto è in possesso o meno del libretto matricolare secondo ex Raccolta R1982. Nel caso ne fosse sprovvisto, la trasformazione a vaso chiuso è praticamente inevitabile dato che la nuova Raccolta R2009 per gli impianti a vaso aperto richiede un secondo tubo di carico-circolazione distinto e collegato sul ritorno del generatore.
Trasformare un impianto con battente di 2,2 bar in vaso chiuso comporta un aumento della pressione di riferimento con la temperatura. Tuttavia, è importante chiedersi perché trasformare a vaso chiuso qualcosa che funziona bene, non costa nulla (neppure per gli oneri di collaudo INAIL) e garantisce una sicurezza maggiore del vaso chiuso.
Considerazioni Finali
La decisione tra un sistema aperto o chiuso dipende in realtà dalla fonte di calore che riscalderà la tua casa. Senza dubbio, il sistema chiuso è migliore e causa meno danni all’intero impianto di riscaldamento centralizzato. Rimane efficiente per molti anni e non tende a degradarsi con ogni stagione a causa dell’accumulo di sporco e calcare.
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