I fluidi idraulici svolgono un ruolo cruciale nell’industria, fornendo lubrificazione, raffreddamento e protezione ai vari componenti dei sistemi idraulici utilizzati nelle macchine e attrezzature industriali.

Funzioni Chiave dei Fluidi Idraulici

  • Lubrificazione Efficace: La lubrificazione è fondamentale per ridurre l’attrito e l’usura delle parti mobili del sistema idraulico. Per evitare abrasioni e grippaggi, il fluido idraulico deve compiere un’azione lubrificante nei componenti, in quanto i giochi fra le parti mobili in oleodinamica sono anche di pochi μm.
  • Raffreddamento Ottimale: I fluidi idraulici agiscono come refrigeranti, dissipando il calore generato dal sistema.
  • Protezione dei Componenti: Proteggono i componenti del sistema idraulico dall’accumulo di sporco, ruggine e altri contaminanti che possono causare danni e ridurre l’efficienza del sistema.

Caratteristiche Essenziali dei Fluidi Idraulici

I fluidi idraulici devono possedere determinate caratteristiche per garantire un funzionamento ottimale degli impianti.

  • Stabilità Termica e Alto Indice di Viscosità: Devono mantenere le loro proprietà su un ampio intervallo di temperature, garantendo un funzionamento affidabile in condizioni operative estreme.
  • Sicurezza Alimentare: Conformi alle normative NSF H1, garantendo la sicurezza in caso di contatto accidentale con gli alimenti.

I fluidi idraulici food grade sono fondamentali per garantire l’efficienza, la sicurezza e la longevità delle attrezzature nell’industria alimentare.

Il Sistema Oleodinamico e i Suoi Componenti

In un impianto oleodinamico l’energia meccanica viene inizialmente convertita in energia idraulica. Questa poi viene trasferita, controllata o regolata e inviata ad uno o più utilizzatori che la riconvertono in energia meccanica.

Affinché l’intero processo appena descritto funzioni, un impianto oleodinamico è caratterizzato da diversi parti che si occupano ciascuna di una particolare funzione: componenti come serbatoi, filtri, scambiatori di calore, dispositivi di misura e controllo, permettono il trattamento del fluido idraulico.

Tipi di Fluidi Utilizzati in Oleodinamica

I fluidi che possono essere impiegati in oleodinamica sono acqua, oli minerali, emulsioni acqua-olio. L’acqua favorisce la corrosione e non ha potere lubrificante, quindi il suo uso è limitato a quando sono presenti rischi di infiammabilità o inquinamento per l’ambiente. Generalmente si utilizzano oli minerali.

Viscosità e Indice di Viscosità

Viscosità e indice di viscosità: entrambe sono proprietà chimico-fisiche da tenere sotto controllo nel fluido idraulico, ma i due termini non sono equivalenti, vediamo le differenze. Le caratteristiche di viscosità dell'olio idraulico possono mutare al variare di temperatura e pressione.

  • Viscosità: La viscosità dei fluidi idraulici è la misura della resistenza allo scorrimento, ossia della resistenza opposta dalle particelle di fluido al reciproco scorrimento. La viscosità del fluido si deve trovare all’interno di un range di buon funzionamento. Infatti una viscosità troppo alta comporta elevate perdite di carico e un conseguente eccessivo riscaldamento.
  • Indice di viscosità: La viscosità diminuisce all’aumentare della temperatura, quindi durante il funzionamento dell’impianto occorre garantire che l’olio abbia la propria temperatura all’interno di un certo range. Questa dipendenza può essere caratterizzata dall’indice di viscosità, che dipende esclusivamente dal tipo di greggio di origine, dai metodi di raffinazione e dalla presenza di additivi. Tanto maggiore è l’indice di viscosità, tanto minore è la dipendenza della viscosità dalla temperatura.

Contaminazione dei Fluidi Idraulici

Un filtro intasato, il grippaggio di un ingranaggio, la cavitazione di una pompa o l’usura di un cuscinetto sono alcune criticità note a chiunque abbia avuto a che fare con la manutenzione, la messa in servizio o il fermo macchina di un qualsiasi impianto azionato idraulicamente.

Le particelle presenti nell’ambiente circostante all’impianto oleodinamico penetrano, inevitabilmente, nel sistema attraverso guarnizioni dei cilindri, tenute degli alberi e bocchettoni dei serbatoi. La presenza nell’olio di elementi estranei, potenzialmente nocivi per l’impianto, si chiama contaminazione. Quest’ultimo caso fa sì che serva il flussaggio: la rimozione di particelle mediante flussi turbolenti. È inoltre frequente che entrino nell’impianto residui di lavorazione durante il montaggio, l’installazione e il commissioning, contaminando pericolosamente l’intero sistema.

Gli impianti risentono, poi, della contaminazione liquida spesso originata da sbalzi termici che determinano variazioni percentuali della saturazione dell’acqua nell’olio. A tal proposito occorre evidenziare che, la contaminazione del fluido viene comunemente suddivisa in tre tipologie: liquida (acqua e olii incompatibili tra loro), gassosa (aria) e solida (metallica).

Il contenimento del livello di contaminazione accettabile per un sistema oleodinamico è demandato alla filtrazione. La predisposizione di sistemi di filtrazione (filtri) e dei relativi strumenti di controllo (sensori) e l’approccio alla manutenzione predittiva è alla base del corretto trattamento del fluido.

Monitoraggio dei Fluidi (Fluid Monitoring System)

Per "Fluid Monitoring System" si intende quell’insieme di procedure volte al monitoraggio costante e continuo dello stato di usura e contaminazione del fluido. Come anticipato, per consentire un perfetto condition monitoring dello stato dei fluidi idraulici e di lubrificazione, gli impianti più evoluti sono dotati di sistemi di controllo del fluido con sensori di manutenzione predittiva e logiche di misura e controllo, che informano sulla natura e sui livelli di contaminazione. Se correttamente predisposti, saranno poi i sensori e le logiche di controllo ad inviare l'alert di soglia target raggiunto per consentire il corretto intervento.

In conclusione, abbiamo visto come la modernizzazione delle procedure di condition monitoring - anche per la gestione degli impianti oleodinamici - sia guidata dall'introduzione di tecnologie innovative che facilitano la raccolta di dati precedentemente non disponibili, o che richiedevano strumentazione avanzata, o ancora tecniche analitiche complesse.

Raffreddamento dell’Olio per Macchine Industriali

Attraverso un chiller industriale è possibile raffreddare acqua e olio; in base alle necessità il sistema di refrigerazione dovrà essere ad aria o ad acqua. Con differenti tipologie di macchine utensili: in queste circostanze si ha la necessità di raffreddare l’olio per il mandrino o quello idraulico.

I chiller industriali ad acqua basano il loro funzionamento sulla condensazione sfruttando la compressione di gas come freon, ammoniaca, composti a base di etano e metano. Associati a macchine utensili permettono di controllare in modo efficiente la temperatura dell’olio del mandrino e dell’olio idraulico, prevenendo fenomeni di deformazione.

L’olio che si surriscalda durante le ore lavorative o che è invece troppo freddo all’avviamento del macchinario rappresenta una difficoltà molto diffusa, trasversale a tutti i settori dell’industria.

Chiller FLUX 35

Tra tutte le apparecchiature che forniscono utilities di riscaldamento e/o raffreddamento dell’olio, oggi vorremmo presentarvi nel dettaglio CHILLER FLUX 35, che trova la sua applicazione più comune nel raffreddamento di impianti idraulici o di lubrificazione, ad esempio in impianti oleodinamici per gli organi in movimento, su macchine utensili e operatrici che utilizzano azionamenti idraulici oppure anche nelle lavorazioni meccaniche, dove sono presenti diverse tipologie di impianto che necessitano di sistemi di raffreddamento (laminazione, fresatura, marcatura ecc).

In tutti questi ambiti, l’olio per gli attuatori idraulici o per la lubrificazione assorbe il calore ceduto dal movimento meccanico o dalle pompe calore che deve essere smaltito affinché l’olio mantenga le opportune proprietà lubrificanti e di viscosità, in quanto una loro alterazione, come specificato in testa al presente articolo, genererebbe danni ingenti a macchinari e impianti.

Ecco perché tutti gli impianti di questo tipo sono dotati di un sistema di raffreddamento dell’olio mediante scambiatore di calore aria- olio (altrimenti con scambiatori acqua-olio), che a seconda delle dimensioni e delle caratteristiche dell’impianto può essere di tipo saldobrasato oppure ispezionabile. In GFT - Global Filtration Technology, su richiesta di alcuni clienti, abbiamo quindi realizzato un sistema di raffreddamento aria-olio a elevata efficienza, con massa radiante ad aria forzata tramite ventola.

CHILLER FLUX 35 raffredda l'olio a ciclo continuo utilizzando l’aria dell’ambiente, pertanto il rischio che l'olio venga raffreddato più del necessario è pressoché inesistente, ed ecco perché il sistema nasce naturalmente privo del sensore che arresta il sistema al raggiungimento della temperatura desiderata.

Scambiatori di Calore: Tipi e Funzionamento

Tutte le macchine industriali che utilizzano gli impianti oleodinamici generano, attraverso le pompe dell’olio, una grande quantità di calore che deve essere smaltito. Per questo motivo è fondamentale che ci siano gli scambiatori di calore che si occupano del raffreddamento dell’olio. Nel dettaglio, ci sono due tipologie di scambiatori: acqua-olio e aria-olio.

  • Scambiatori Aria-Olio: Quando si parla di scambiatori aria-olio si fa riferimento a dei dispositivi che vengono utilizzati per avviare il processo di raffreddamento dei circuiti oleodinamici attraverso l’utilizzo dell’aria come fluido raffreddante. Gli scambiatori aria-olio vengono costruiti con una massa radiante in alluminio, che si ottiene attraverso un processo di saldobrasatura sottovuoto. In questo modo è possibile garantire un’ottima resa termica e una migliore resistenza alle pressioni. Gli scambiatori aria-olio vengono impiegati per il raffreddamento di olio idraulico attraverso l’utilizzo di aria che viene soffiata da una ventola sulle macchine che lavorano in modo continuativo. Inoltre gli scambiatori aria-olio vengono impiegati quando si necessita di prestazioni refrigeranti minori.
  • Scambiatori Acqua-Olio: Gli scambiatori aria-olio e acqua-olio sono entrambi degli scambiatori di calore che si occupano dello scambio di energia termica di un fluido termovettore con altri di temperature diverse.

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.

Considerazioni sul Raffreddamento ad Acqua

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.

Caso Studio: Sistema di Raffreddamento Integrato

Tra le numerose applicazioni realizzate in questo settore, vediamo un caso esemplificativo di sistema di raffreddamento realizzato per un cliente che opera nel comparto della meccanica di precisione, realizzando macchinari di lavorazione a elevata precisione e ripetibilità.

Entrambi questi sistemi generano calore, che deve essere dissipato per mantenere costante il livello di precisione nelle lavorazioni. 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 di 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.

Altre Proprietà dei Fluidi Idraulici

  • Potere lubrificante, protezione dall’usura: Il fluido utilizzato deve essere in grado di bagnare tutte le parti mobili con una pellicola lubrificante continua. La conseguenza della rottura di questa pellicola, causata da alte pressioni, insufficienza di alimentazione, scarsa viscosità e altro ancora, è il grippaggio e per questo, si consideri che il gioco di accoppiamento tra cursore e alloggiamento di un distributore può essere di soli 8-10 micron.
  • Compatibilità con i materiali: Il fluido deve essere compatibile con tutti i materiali che costituiscono l’impianto, comprese guarnizioni, cuscinetti e vernici.
  • Resistenza alla sollecitazioni termiche: Durante il funzionamento dell’impianto oleodinamico, il fluido si riscalda, mentre nei periodi di ferma subisce un raffreddamento. Il ripetersi di questo ciclo termico ha conseguenze negative per la vita utile del fluido, per questo motivo in molti impianti oleodinamici si mantiene costante la temperatura del fluido per mezzo di scambiatori di calore.
  • Bassa comprimibilità: La comprimibilità di un fluido è la variazione di volume per effetto della pressione. Se l’olio è esente da bolle d’aria al suo interno, il suo volume, a seguito di un aumento della pressione di 100 bar, subisce una riduzione dello 0.7%. Fino a 150 bar la comprimibilità può essere trascurata, mentre per valori superiori, soprattutto in presenza di grosse portate, essa può compromettere la funzionalità del sistema.
  • Dilatazione termica: Se alla pressione atmosferica l’olio viene riscaldato aumenta il suo volume, per cui in impianti in cui il volume dell’olio è molto elevato, bisogna tenere conto della temperatura di esercizio.
  • Potere anti-schiuma: Le bollicine d’aria risalenti sulla superficie dell’olio possono formare schiuma nel serbatoio. Questo inconveniente può essere ridotto con una appropriata disposizione delle tubazioni di ritorno e con l’installazione di setti separatori all’interno del serbatoio, per calmare il movimento dell’olio di ritorno.
  • Potere antiossidante: Il potere antiossidante degli oli minerali è ottenuto grazie ad additivi chimici, i quali creano sulle superfici metalliche una pellicola idrofuga che è in grado di neutralizzare i prodotti corrosivi di dissociazione dovuto all’invecchiamento dell’olio.
  • Filtrabilità: Durante l’esercizio il fluido viene continuamente filtrato sulla mandata o sul ritorno, o in entrambe le zone, al fine di asportarne gli elementi inquinanti generati per abrasione. In base al tipo di fluido ed alla sua viscosità, si scelgono le dimensioni del filtro e il materiale della cartuccia filtrante. A parità di altre condizioni, l’aumento della viscosità determina una maggiore caduta di pressione o ∆p attraverso il filtro e quindi richiede un filtro di maggiori dimensioni.
  • Resistenza all’accensione e incombustibilità: Gli impianti oleodinamici vengono impiegati anche su linee per la lavorazione a caldo o ad incandescenza, in stabilimenti dove si opera con fiamme libere o comunque a temperature molto elevate. Al fine di prevenire i pericoli derivanti da possibili rotture di tubazione e conseguente perdita di fluido, in queste condizioni, si ricorre a fluidi speciali ad alto punto di accensione, di difficile infiammabilità. Si definisce punto di fiamma del fluido (fire point) la temperatura alla quale il fluido si incendia a contatto con una fiamma libera.
  • Tossicità: Il contatto prolungato con alcuni fluidi sintetici e talvolta anche con oli minerali, può provocare irritazioni e malattie della pelle. I vapori dei fluidi sintetici, in particolare dei tipi clorurati, sono notevolmente tossici e quindi occorre evitare che l’operatore possa aspirarli.

Tipi di Fluidi Idraulici in Base alla Composizione

  • Liquidi a base acquosa: Data la loro composizione possono essere usati solo quando la temperatura dell’impianto rimane compresa nell’intervallo +10 e +60 °C. Occorre inoltre tenere sotto controllo l’installazione per reintegrare le perdite d’acqua dovute ad evaporazione.
  • Emulsioni olio-in-acqua: Contengono dal 5% al 12% di olio. Presentano una viscosità piuttosto stabile nei confronti della temperatura e crescente con la percentuale di olio. La presenza dell’olio migliora le proprietà lubrificanti.
  • Emulsioni acqua-in-olio: Contengono dal 40% al 60% di olio e hanno un potere lubrificante molto migliore delle precedenti. Al contrario di queste hanno una viscosità che cala al crescere della percentuale di olio. La costanza della viscosità rispetto alla temperatura è migliore di quella dell’olio.
  • Soluzioni acque-glicole: L’acqua è presente nella misura del 35-60%, la viscosità cala all’aumentare della presenza di acqua ed è abbastanza stabile rispetto alla temperatura, mentre il potere lubrificante è paragonabile a quello dell’olio.
  • Esteri fosforici: Presentano un elevatissimo punto di fiamma, hanno un buon potere lubrificante, purtroppo hanno scarsa stabilità termica e la loro viscosità varia sensibilmente con la temperatura. La protezione anticorrosione è discreta e viene migliorata con appositi additivi.
  • Siliconi: Sono composti chimici a molecole lunghe, costituite da silicio, ossigeno e radicali liberi. Hanno notevole stabilità della viscosità, ottima stabilità chimica al freddo e all’ossidazione e non presentano azioni aggressive.

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