Le bolle d'aria libera causano innumerevoli problemi alle pompe, ai motori e alle valvole di controllo idrauliche
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Active Oil Disareator
L'Aria nei fluidi Idraulici
Le bolle d'aria libera causano innumerevoli problemi alle pompe, ai motori e alle valvole di controllo idrauliche
- 1
aumento rumorosità,
pressure ripple
2 -
induce fenomeni di cavitazione
danni meccanici causati dal collasso delle bolle
4 -
riduce bulk modulus
minore rigidità
controlli più spugnosi
- 3
oil cracking
riduce la vita dell'olio
6 -
minore efficienza
aumento temperatura dell'olio
- 5
riduzione della
portata
1,2 Nel momento in cui il fluido bifasico viene affacciato all’alta pressione le bolle collassano in tempi molto rapidi e questo causa rumore ed erosione dovuta all’alta velocità locale del fluido che riempie le bolle.
Il delivery ripple aumenta perché aumenta il ripple dovuto alla pressurizzazione del fluido.
3 L’aria delle bolle viene compressa molto rapidamente seguendo una politropica abbastanza vicina ad una adiabatica perché il lavoro svolto sulle bolle per unità di tempo, cioè la potenza dissipata, è decisamente maggiore del calore scambiato per unità di tempo. Per questo motivo la temperatura delle bolle sale a livelli tali da danneggiare localmente l’olio. Nella figura sotto, si vede un grafico che descrive una delle tante possibili simulazioni per un diametro iniziale delle bolle di 0,3 mm.
La temperatura della bolla aumenta all'aumentare della pressione
generando temprature localizzate eccessive dell'olio
Dimensione iniziale
bolle: 0.3mm
4 Oltre al fatto che le bolle di aria alterano l’andamento del flusso nei passaggi di valvole e distributori, la presenza di aria libera nel fluido ne diminuisce il “bulk modulus” e questo causa una diminuzione marcata della rigidezza del sistema.
5,6 Se una pompa volumetrica aspira un fluido con una certa percentuale di aria, alla mandata quest’aria sarà compressa all’incirca del rapporto tra le pressioni di ingresso e mandata : quindi si avrà un decadimento del rendimento volumetrico che assomiglierà molto alla percentuale di aria in ingresso (generalmente maggiore) [4].
Se la percentuale di aria fosse, ad esempio, del 10%, la pompa dissiperà almeno il 10% di potenza in più. Questo si traduce in una minore portata della pompa ed in un incremento della temperatura del fluido, con conseguente necessità di sovradimensionare gli scambiatori di calore. Oltre al fatto che le bolle di aria alterano l’andamento del flusso nei passaggi di valvole e distributori, la presenza di aria libera nel fluido ne diminuisce il “bulk modulus” e questo causa una diminuzione marcata della rigidezza del sistema.
L'aria nei fluidi può trovarsi sia disciolta che
inglobata/incapsulata.
📌 Fonti principali di incapsulamento:
Turbulenza nei ritorni
→ Flussi ad alta velocità trascinano aria all'interno dell'olio.
Sbattimento meccanico
→ Ingranaggi, alberi o componenti in movimento incorporano aria nell'olio.
Nebulizzazione
→ nebulizzazione dell'olio in caso di lubrificazione forzata;
Cavitazione localizzata
→ Zone di bassa pressione inducono vaporizzazione e formazione di microbolle gassose.
Decompressione rapida
→ Cambi di pressione improvvisi liberano l'aria disciolta sotto forma di bolle.
Nella trasmissione ad ingranaggi la “schiuma” viene misurata utilizzando lo standard ISO/Dis 12152 o ASTM D892, ma questa «schiuma» non è esattamente il problema nella rete idraulica:
il problema è l'aria intrappolata presente come una piccola contaminazione di bolle, che aumenta durante il funzionamento della macchina e appare come nell'immagine a destra (dai documenti ATA)
Separare l'aria da un fluido è complicato!
SOLUZIONI ESISTENTI
A fronte di problemi così significativi legati alla presenza di aria intrappolata nel fluido idraulico sono state studiate diverse possibili soluzioni tecniche
→ dimensionare generosamente il serbatoio, così da lasciare al fluido tempo sufficiente per una deaerazione naturale almeno accettabile
Soluzione ingombrante e costosa, inoltre il fluido idraulico deve essere periodicamente sostituito e smaltit
→ soluzioni basate sui “Cicloni”, dispositivi basati sull’effetto centrifugo e sulla differente densità delle due fasi.
- ciclone classico
Questo dispositivo, oltre ad essere piuttosto lento nella sua azione, spende un salto di pressione per generare velocità e, per poter ottenere una velocità efficace serve una caduta di pressione piuttosto elevata ( 0,3-0,5 bar [6]), cosa inaccettabile all’aspirazione di una pompa.
- ciclone evoluto, con pompa di alimentazione
Questo dispositivo richiede una pompa ausiliaria separata ed una significativa complicazione del circuito ed è comunque piuttosto lento nella sua azione: sebbene sia una delle soluzioni più performanti sono riportati tempi di azione di circa 5 minuti per avere efficacia. (*)
→ Vi sono poi soluzioni basate sulla generazione di un getto veloce del fluido bifasico che è poi sottoposto ad un brusco cambiamento di direzione utilizzando anch’esso la differenza di densità per operare la separazione.
→ Si trovano anche camere più complesse nelle quali si combinano l’effetto ciclonico all’effetto del getto.
Anche queste soluzioni “spendono” un salto di pressione per generare velocità.
→ Un’ultima soluzione è quella di utilizzare speciali filtri che favoriscono la coalescenza delle bolle, da utilizzare nelle linee di ritorno dei circuiti.
Si tratta di una soluzione elegante ma non molto veloce, lenta nella sua azione: nella documentazione pubblicata sono riportati circa 8 minuti per abbassare la percentuale di aria nell’olio dal 7% al 2-3% (*).
[*]condizioni iniziali e finali del fluido non condivise dagli autori
CONCLUSIONI
Si può dire che le soluzioni esistenti o sono ingombranti e costose o sono lente o richiedono una caduta di pressione che le rende inapplicabili sulla linea di aspirazione di una pompa e spesso queste problematiche sono associate.
LA NUOVA SOLUZIONE INNOVATIVA (PATENT PENDING)