I macchinari industriali impiegati nella generazione di energia necessitano di olio lubrificante per proteggere i componenti in movimento, aumentando le performance e assicurando le giuste condizioni di lavoro delle parti meccaniche interne. Questo richiede applicazioni per il raffreddamento dell’olio per turbine, motori endotermici, alternatori, centraline idrauliche e oleodinamiche.
L’olio motore svolge le funzioni di fluido lubrificante e protettivo, a prevenzione dell’usura dei componenti meccanici, proteggendoli da ruggine e corrosione e inibendo l’ossidazione alle alte temperature di lavorazione. L’olio motore crea una pellicola tra le parti in movimento che provvede a lubrificarle e a raffreddarle, minimizzando i contatti e le frizioni che usurano e rovinano i componenti, scongiurando danni alle macchine e la loro rottura, incrementandone servizio e durata.
L’olio idraulico ha però anche il compito di raffreddare le parti meccaniche in movimento dissipando calore dai componenti. Il movimento dei componenti meccanici tra loro ad ogni modo produce delle frizioni che convertono l’energia generata in calore, assorbito dall’olio che diminuisce così il suo potere lubrificante.
Importanza della Viscosità
La viscosità è la caratteristica più importante in un olio idraulico lubrificante. La viscosità di un olio idraulico dipende fortemente dalla sua temperatura. L’incremento di temperatura dell’olio idraulico compromette la resa del fluido lubrificante, danneggiando componenti e parti meccaniche.
Scambiatori di Calore: Una Soluzione Essenziale
Un raffreddatore d’olio è un sottosistema fondamentale che potenzia e allunga la vita e le prestazioni di un macchinario meccanico, inserito all’interno del ciclo produttivo per rimuovere l’eccesso di energia termica prodotto da questo genere di macchine e assorbito per contatto diretto con i componenti surriscaldati.
Gli scambiatori di calore a piastre saldobrasate della serie Tempco T Plate sono la perfetta soluzione per il raffreddamento dell’olio idraulico, che dovrebbe impiegare un dispositivo leggero, compatto, duraturo e a prova di perdite, con veloce ed elevato potere di dissipazione del calore. Gli scambiatori di calore di Tempco della gamma T Plate e T Plate B sono macchinari di termoregolazione industriale che rappresentano la migliore soluzione per il raffreddamento dell’olio idraulico in impianti industriali e applicazioni che generano energia.
Gli scambiatori a piastre di Tempco applicati al raffreddamento dell’olio idraulico mantengono la temperatura ottimale e la perfetta viscosità dell’olio, disperdendo il calore che questo assorbe nel processo di lubrificazione. In particolare, gli scambiatori di calore saldobrasati assicurano massime prestazioni e affidabilità, un trasferimento del calore veloce ed efficiente grazie alla elevata superficie delle piastre, hanno un design leggero e compatto e, grazie alla mancanza di guarnizioni, non richiedono quasi manutenzione, consentendo inoltre installazione e assemblaggio facili, con un’eccellente resistenza ad alte temperature e pressioni, 200+300°C, f.v.
Componenti Accessori e Regolazione del Flusso
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.
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.
Tipi 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.
- Raffreddamento ad acqua: In caso di perdite d’olio, l’acqua di raffreddamento potrebbe risultarne contaminata: pertanto è obbligatorio usare circuiti chiusi. 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.
- Raffreddamento 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”.
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.
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.
Ulteriori Funzioni e Componenti
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. Scambio termico: raffreddamento a regime e/o riscaldo in avviamento (climi freddi, viscosità elevata), in “affiancamento” agli scambiatori veri e propri.
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.
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.).
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).
Manutenzione dell'Olio e dei Filtri
Il motore è una delle componenti essenziali di ciascun impianto oleodinamico. Cambiare o pulire necessariamente o come indicato sui filtri forniti con indicatore visivo. Deve essere pulito dopo 10 ore di funzionamento inizialmente e successivamente ogni 100 ore. Mantenere sempre il livello dell’olio. L’olio deve essere controllato dopo le prime 100 ore e va verificato che la classe d’olio soddisfi i requisiti della pompa utilizzata.
La pulizia o sostituzione dei filtri dell'impianto viene effettuata per evitare la grippatura della pompa. Durante lo smontaggio dei filtri viene valutata la necessità della loro sostituzione oppure la semplice pulizia. Mantenere in circolo all'interno dell'impianto olio sporco, che contiene detriti o microparticelle, mette a rischio tutti i compenenti dell'impianto oltre a ridurne la pressione di utilizzo. Utilizzare contenitori, tubi e impianti puliti durante il riempimento del serbatoio.
Controllo della Temperatura dell'Olio
L’olio bollente nell’impianto idraulico delle vostre apparecchiature è una delle cause principali di scarso funzionamento, guasto dei componenti e tempi di fermo macchina. L’olio del sistema idraulico è stato progettato per funzionare entro un preciso intervallo di temperatura. Si può far funzionare a temperature più elevate per brevi periodi di tempo, ad intermittenza, senza effetti negativi.
“Olio bollente” è un termine relativo. Nella maggior parte dei casi, circa 49°C (120°F) al serbatoio è considerata una temperatura operativa ideale. Controllare sempre la temperatura dell’olio nel serbatoio, non su un componente o in nessuna delle tubazioni. Alcuni sistemi idraulici sono progettati per funzionare a circa 54°C (130°F) o più.
Esistono diversi modi per controllare la temperatura dell’olio. Il metodo migliore e più accurato è per mezzo di un termometro. Su alcune macchine, questo è montato sul serbatoio. Se la tua macchina non ha un termometro del serbatoio, usa il “test della mano”. Prima controlla il serbatoio con la punta del dito; se non è troppo caldo da toccare, posiziona il palmo sul serbatoio. Sarai in grado di tenerlo lì senza disagio se la temperatura dell’olio è di circa 55°C o inferiore.
Problemi Comuni e Soluzioni
- Valvola bloccata: Una valvola bloccata può causare calore eccessivo. Se una bobina non torna immediatamente nella posizione neutra, il flusso della pompa si scaricherà continuamente.
- Valvola limitatrice impostata troppo bassa: Se una valvola limitatrice è impostata su un valore troppo basso, parte dell’olio verrà scaricato attraverso la valvola stessa ad ogni ciclo. Anche questo è fonte di eccessivo calore.
- Olio deteriorato: L’olio che è diventato troppo caldo apparirà più scuro e si sentirà più sottile dell'olio nuovo. Avrà anche odore di bruciato.
- Sfiato d’aria interrotto: Sfiato d’aria interrotto. Si può verificare un'azione elettrolitica con alcuni metalli.
- Viscosità del fluido troppo bassa: Viscosità del fluido troppo bassa.
Principi Fondamentali dello Scambio Termico
Coloro che desiderano familiarizzare maggiormente con il funzionamento degli scambiatori a piastre, troveranno qui di seguito in maniera molto elementare i principi fondamentali dello scambio termico. Secondo le leggi naturali della fisica, l’energia presente in un sistema tende sempre a raggiungere l’equilibrio. Fino a quando esisterà una differenza di temperatura, il calore lascerà il corpo o il liquido caldo per essere trasferito in quello freddo. Uno scambiatore di calore rispetta questo principio di raggiungimento dell’equalizzazione. Con uno scambiatore di calore a piastre, il calore attraversa facilmente la superficie che separa il fluido caldo da quello freddo. Questo permette di riscaldare o raffreddare liquidi o gas con livelli minimi di energia.
Vantaggi degli Scambiatori di Calore a Piastre
Gli scambiatori di calore a piastre saldobrasati (BPHE - Brazed Plate Heat Exchanger) offrono numerosi vantaggi. In uno scambiatore di calore a piastre guarnizionate (GPHE - Gasketed Plate Heat Exchanger), le piastre sono dotate di guarnizioni elastomeriche che sigillano i canali e dirigono il materiale in canali alternati. Il pacco piastre è contenuto all'interno di un telaio costituito da una piastra fissa ed una piastra di pressione mobile.
Gli scambiatori di calore a piastre sono migliori degli scambiatori a fascio tubiero nella gestione di valori elevati di lunghezza termica. Gli scambiatori di calore a fascio tubiero possono arrivare a valori di theta ~ 1, mentre gli scambiatori di a piastre arrivano anche a valori superiori a 10.
Parametri Chiave nello Scambio Termico
- Portata: Può essere espressa in due modi diversi: per peso o per volume. Le unità di flusso per peso sono in Kg/s o kg/h le unità di flusso per volume sono in m3/h o l/min. La portata massima generalmente determina quale tipo di scambiatore di calore sia appropriato per uno scopo specifico. Gli scambiatori di calore a piastre Alfa Laval possono essere utilizzati per portate da 0,05 kg/s a 1400kg/s. In termini di volume, ciò equivale a 0,18 m3/h - 5000 m3/h in un'applicazione per acqua.
- Caduta di Pressione (Δρ): La caduta di pressione (Δρ) è inversamente proporzionale alle dimensioni dello scambiatore di calore a piastre. Se è possibile aumentare la caduta di pressione consentita e accettare costi di pompaggio maggiori, lo scambiatore di calore sarà di dimensioni inferiori e meno costoso.
- Calore Specifico (cρ): Il calore specifico (cρ) è la quantità di energia necessaria per aumentare di un grado centigrado 1kg di sostanza.
- Viscosità: La viscosità misura la facilità di scorrimento di un liquido. Minore è la viscosità, maggiore sarà la facilità di scorrimento.
- Coefficiente di Scambio Termico Complessivo (k): Il coefficiente di scambio termico complessivo (k) misura la resistenza del trasferimento di calore, composta dalla quantità di sporcamento, dalla natura dei fluidi e dal tipo di scambiatore utilizzato.
Ogni parametro dell'equazione può influire sulla scelta dello scambiatore di calore. In uno scambiatore di calore a piastre, è possibile usufruire dei vantaggi derivanti da piccole differenze di temperatura e spessore delle piastre compreso tra 0,3 e 0,6mm. I valori alfa sono prodotti dalle turbolenza molto elevata e il fattore di sporcamento è generalmente molto ridotto.
Materiali delle Piastre
Nella maggior parte degli scambiatori di calore Alfa Laval per applicazioni acqua/acqua sono utilizzate piastre in acciaio inossidabile AISI 316 di altà qualità. Quando il contenuto di cloruro non impone la necessità di AISI 316, è possibile utilizzare materiale in acciaio inossidabile AISI 304, meno costoso. sono inoltre disponibili piastre in materiali diversi, per varie applicazioni. Per gli scambiatori di calore a piastre saldobrasate Alfa Laval, è sempre utilizzato acciaio inossidabile AISI 316.
Considerazioni sul Design e Applicazioni Comuni
Il progetto degli scambiatori di calore a piastre implica una turbolenza, e di conseguenza un'efficienza termica, molto maggiore degli scambiatori a fascio tubiero. Un valore Rf tipico utilizzato per gli scambiatori a fascio tubiero è 1 x 10-4m2C/W. Con valori k pari a 2000-2500 W/m2°C, il Margine risulta del 20-25%. (M = Kc x Rf).
Gli scambiatori di calore a piastre sono utilizzati in un'ampia gamma di funzioni, in quasi tutti i settori immaginabili, in tutto il mondo. Una stretta collaborazione con i consulenti ed i clienti è essenziale per la realizzazione di un impianto.
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.
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.
Tabella Riepilogativa dei Parametri Chiave
| Parametro | Unità di Misura | Descrizione |
|---|---|---|
| Portata (Peso) | Kg/s, Kg/h | Quantità di fluido per unità di tempo (peso) |
| Portata (Volume) | m³/h, l/min | Quantità di fluido per unità di tempo (volume) |
| Caduta di Pressione (Δρ) | Pa (Pascal) | Differenza di pressione tra ingresso e uscita |
| Calore Specifico (cρ) | J/kg°C | Energia per aumentare di 1°C 1kg di sostanza |
| Coefficiente di Scambio Termico (k) | W/m²°C | Efficacia del trasferimento di calore |
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