Ascensori idraulici – Configurazione dell'unità di alimentazione, parte II

In questo articolo vengono illustrati alcuni concetti fondamentali degli ascensori idraulici e la configurazione delle relative unità di potenza.

di Parag Mehta e Dott. Ferhat Celik

Il primo articolo di questa serie (ELEVATOR WORLD, dicembre 2010) ha fornito approfondimenti sulla selezione di componenti come pompa, motore, valvola di controllo del flusso, cilindri e valvola di rottura delle tubazioni. Questo articolo conclusivo servirà da guida nella selezione di componenti come serbatoio idraulico, olio e radiatore dell'olio. L'articolo spiega inoltre come mettere in servizio correttamente un'unità di potenza per ascensori per garantirne un funzionamento senza problemi e come progettare in modo ottimale le tubazioni idrauliche. Verranno inoltre trattati gli accessori che garantiscono una maggiore sicurezza.

obiettivi formativi

Dopo aver letto questo articolo, dovresti aver imparato:
• L'unità di potenza di un ascensore idraulico
• Serbatoi idraulici, olio e radiatori dell'olio di un gruppo motore
• Selezione del serbatoio, dell'olio e del radiatore dell'olio corretti per un'unità di potenza
• Linee guida importanti per l'installazione e la messa in servizio di un ascensore idraulico Tubazioni in una centralina idraulica

Introduzione

Di solito, si presta poca attenzione alla scelta del serbatoio e dell'olio idraulico utilizzati in un'unità di potenza per ascensori. Purtroppo, molti hanno un'idea sbagliata, del tipo: "Cosa c'è di così tecnico in un serbatoio in lamiera prefabbricata e nell'olio idraulico?". In questo modo, si rischia di trascurare i radiatori dell'olio, se necessari, e di evitare accessori importanti per mancanza di know-how. Solo una scelta errata delle dimensioni del serbatoio e dell'olio idraulico potrebbe causare problemi all'ascensore idraulico, che non funzionerebbe nonostante i migliori componenti di produttori rinomati. Considerare alcuni principi di base non solo garantirebbe all'unità di potenza la necessaria stabilità termica, ma, in cambio, garantirebbe anche manutenzione e un funzionamento senza problemi.

Non è raro che i produttori di centraline elettriche cedano i sistemi alle aziende di ascensori che, a volte, hanno poca o nessuna esperienza nella messa in servizio di ascensori idraulici. La gestione impropria del sistema, la mancanza di protezione contro la polvere in loco (dove sono in corso i lavori) e una messa in servizio inadeguata dell'intero sistema contribuiscono ad aggravare i problemi.

Il componente più grande dell'unità di potenza: il serbatoio

Un serbatoio idraulico immagazzina olio. Sebbene sia semplice pensare a un serbatoio come a un contenitore chiuso, c'è molto di più. Esistono diversi tipi e forme di serbatoio disponibili, ma il più comune è simile a quello mostrato nella Figura 1. A seconda del design e della marca del gruppo motore, alcuni produttori forniscono serbatoi non metallici, inadatti alla dissipazione del calore. Un serbatoio idraulico svolge le seguenti funzioni principali:

1. Alloggiamento della pompa (e, in alcuni casi, del motore)
2. Stoccaggio dell'olio
3. Dissipazione di calore
4. Fornisce un posto per l'espansione del fluido idraulico
5. Supporta l'unità

Nel segmento degli ascensori domestici, le installazioni convenzionali in sala macchine stanno lentamente cedendo il passo alle installazioni idrauliche senza sala macchine (MRL). In questi casi, il serbatoio è spesso nascosto e compatto, spesso posizionato sotto una scala o in un ripostiglio (Figura 2).

Si discute spesso sulle dimensioni del serbatoio. Come regola generale, le dimensioni del serbatoio dovrebbero essere calcolate con un fattore da due a due volte e mezzo la portata della pompa. Ciò significa che se il sistema ha una pompa che eroga 60 litri al minuto, il serbatoio dovrebbe essere sufficientemente grande da contenere 120-150 litri di olio, più un ulteriore 10% di spazio per il cuscino d'aria. Tuttavia, le dimensioni del serbatoio e il volume di olio che contiene devono essere scelti tenendo conto dell'equilibrio termico del sistema. In nessun caso il livello dell'olio deve scendere al di sotto dell'ingresso della pompa, il che causerebbe il funzionamento a secco della pompa e creerebbe un effetto vortice. Il calore generato nel sistema viene efficacemente trasferito all'ambiente dai lati del serbatoio; pertanto, è preferibile un volume del serbatoio con i lati più grandi possibili (a forma di prisma quadrato o rettangolare). Questi hanno la maggiore superficie di scambio termico per unità di volume. Pertanto, ove possibile, il profilo del serbatoio dovrebbe essere profondo e stretto, piuttosto che poco profondo e largo. La dissipazione del calore può essere migliorata aumentando la superficie del serbatoio e montandolo su gambe per sollevarne il fondo di almeno 150 millimetri dal livello del suolo. Ciò semplifica anche la manutenzione e lo svuotamento dell'olio.

Per la piastra inferiore viene utilizzata una piastra leggermente più spessa e per i coperchi superiori vengono utilizzate piastre più pesanti per garantire un funzionamento privo di vibrazioni, soprattutto con motori esterni. Se il serbatoio è realizzato in lamiera, sia l'esterno che l'interno devono essere verniciati. È inoltre possibile prevenire la tempra in loco dell'unità di potenza progettando il serbatoio in modo che il coperchio copra la valvola di controllo e altri componenti del sistema (Figura 3). Ciò contribuisce anche a isolare il sistema dall'ambiente sporco e a rendere l'unità di potenza silenziosa.

Quando si installano ascensori idraulici in luoghi come centri commerciali o aeroporti, dove le unità gestiscono un traffico intenso, sarebbe molto sensato scegliere un serbatoio sovradimensionato in grado di contenere più olio, rallentando così la generazione di calore e aumentando la dissipazione del calore del sistema. Lo stesso principio si applica ai climi caldi, dove la temperatura ambiente spesso aumenta in estate. Realizzare un serbatoio più grande e disporre di più olio comporterebbe solo un investimento iniziale leggermente maggiore e offrirebbe un notevole vantaggio giornaliero per tutto il ciclo di vita dell'ascensore.

Il fluido nell'unità di potenza: olio

L'olio idraulico trasmette l'energia generata dalla pompa al cilindro. Pertanto, è un importante mezzo di trasferimento di energia e la sua selezione deve essere attentamente ponderata. Idealmente, l'olio idraulico dovrebbe avere le seguenti caratteristiche:

1. Viscosità stabile con pressione e temperatura variabili
2. Caratteristiche chimiche e fisiche stabili
3. Buone qualità di dissipazione del calore
4. Resistenza al fuoco (se richiesto dalle normative)
5. Buone caratteristiche di lubrificazione e capacità di prevenire la formazione di ruggine
6. Basso coefficiente di espansione
7. Non tossico, facile da maneggiare e facilmente reperibile

Il fluido idraulico migliore per le applicazioni negli ascensori è quello con una variazione di viscosità relativamente bassa al variare della temperatura dell'olio. La temperatura e la viscosità dell'olio idraulico sono inversamente proporzionali; ciò significa che la viscosità dell'olio diminuisce con l'aumentare della temperatura. Ad esempio, un olio dichiarato conforme alla norma ISO 22 avrà una viscosità di 22 millimetri quadrati al secondo (cSt) a 40 °C. Tuttavia, lo stesso olio avrebbe una viscosità cinematica di 7 cSt a 80 °C. Nella scelta del grado di viscosità per un particolare sistema di ascensori, è necessario tenere in considerazione la viscosità iniziale alla temperatura ambiente minima, la temperatura di esercizio massima prevista e l'intervallo di viscosità consentito e ottimale per la pompa, il motore e la valvola di controllo. Le applicazioni in cui l'ascensore idraulico è soggetto a traffico intenso abbinato a temperature ambiente elevate dovrebbero preferibilmente utilizzare un olio con un indice di viscosità (VI) più elevato, dopo aver verificato con i produttori dei componenti la sua idoneità.

VI è una rappresentazione numerica delle caratteristiche di viscosità/temperatura di un fluido. Maggiore è il VI, minore è la variazione di viscosità per una data variazione di temperatura, o viceversa. Gli oli con un VI pari o superiore a 80 sono considerati ad alto valore di VI. Gli oli con un VI compreso tra 80 e 40 sono considerati aventi un valore medio, mentre quelli inferiori a 40 hanno un valore basso.

Il termostato dell'unità di potenza: il radiatore dell'olio

Il primo principio della termodinamica afferma che l'energia non può essere creata o distrutta, ma semplicemente trasformata da un tipo di energia a un altro. In un sistema di ascensore idraulico, l'energia deve essere aggiunta all'olio idraulico per sollevare la cabina fino a destinazione. Una fonte di energia, come un motore elettrico, è necessaria per azionare una pompa e convertire l'energia meccanica in flusso. La resistenza al flusso nel sistema idraulico crea pressione, che energizza e aziona il cilindro. Pertanto, l'intero sistema di ascensore idraulico è in realtà un sistema di trasferimento di energia.

Valvole di sicurezza non adeguatamente regolate, viscosità dell'olio non idonea, temperatura ambiente elevata, posizione errata del serbatoio, scarsa ventilazione, dimensioni e design insufficienti del serbatoio e unità di potenza esposte alla luce solare sono alcuni fattori esterni che possono ridurre la capacità di un sistema idraulico di dissipare il calore. Uno degli obiettivi principali della progettazione di un'unità di potenza è bilanciare le perdite di calore a una temperatura dell'olio accettabile mediante il trasferimento naturale di calore dall'olio alle tubazioni, agli attuatori e al serbatoio, e la successiva dissipazione nell'aria. Il calcolo della temperatura di equilibrio termico richiede una vera e propria somma matematica del calore in entrata e in uscita dal sistema idraulico. Per ottenere una stima realistica, è necessario calcolare simultaneamente molti fattori (sia interni che esterni). Alcuni di questi sono:

1. Fattore di carico medio dell'ascensore
2. Fattore di viaggio medio
3. Numero medio di avviamenti del motore all'ora
4. Tempo totale del viaggio

Il calore viene dissipato da un sistema idraulico in due modi: per convezione naturale e per convezione forzata. A causa del gradiente di temperatura, la convezione naturale avviene quando il calore si sposta dai vari componenti del sistema all'aria circostante. È preferibile che la convezione naturale dissipi tutto il calore generato dal sistema dell'ascensore. In questo caso, il calore generato e quello dissipato naturalmente si bilanciano a una temperatura che dovrebbe essere inferiore a 60 °C per una maggiore durata dell'olio (Figura 6). L'utilizzo di una valvola elettronica e del motore esterno può ridurre la temperatura di equilibrio termico di circa il 21%. Se, d'altra parte, la convezione naturale non riesce a rimuovere il calore generato, la temperatura del sistema continuerà a salire. Un radiatore dell'olio è generalmente necessario quando il calore generato dal sistema è superiore a quello che il sistema può dissipare (convezione forzata).

Se l'impianto di sollevamento è progettato in modo ottimale, i radiatori dell'olio non sono generalmente necessari; tuttavia, la decisione se una centralina idraulica per ascensore debba essere dotata di un radiatore dell'olio può essere presa solo dopo aver calcolato il bilancio termico dell'impianto. Tuttavia, se si utilizza un radiatore dell'olio, è necessario posizionarlo in una sala macchine adeguatamente ventilata.

Tipi di radiatori dell'olio

Raffreddatori aria-olio

Gli scambiatori di calore raffreddati ad aria sono generalmente utilizzati nelle applicazioni di ascensori idraulici. Un termostato accende e spegne il circuito di raffreddamento. La temperatura di esercizio del contatto del termostato può essere impostata dall'esterno tramite un volantino. L'elemento sensore è immerso nell'olio. Una pompa viene utilizzata per trasportare l'olio caldo dal serbatoio a uno scambiatore di calore. L'olio viene raffreddato da una ventola azionata da un motore, utilizzando un processo simile al sistema di raffreddamento ad acqua di un'automobile. L'olio raffreddato viene quindi pompato nuovamente nel serbatoio per essere utilizzato dal sistema di ascensori idraulici. Lo scambiatore è montato sul serbatoio dell'olio o nelle sue vicinanze, oppure è installato sulla parete della sala macchine. Le calorie (o la quantità di calore trasferito) dipendono dalle dimensioni del refrigeratore. I calcoli del bilancio termico aiutano a calcolare la quantità di calore generata dal sistema rispetto a quella dissipata naturalmente. Se la quantità di calore dissipata naturalmente dal sistema è inferiore a quella generata dal sistema, è necessario selezionare un refrigeratore con una velocità di trasferimento termico adeguata a neutralizzare il calore in eccesso.

Refrigeratori d'olio refrigerati

I refrigeratori d'olio refrigerati sono rari, ma possono essere trovati anche in installazioni in cui la temperatura ambiente è molto elevata e l'ascensore viene utilizzato molto frequentemente (come centri commerciali, ospedali o centri espositivi). Un refrigeratore d'olio refrigerato funziona in gran parte secondo il principio di un frigorifero. L'olio caldo proveniente dal serbatoio (fatto circolare tramite una pompa) scambia calore con il refrigerante che viene fatto circolare nel frigorifero tramite un compressore. In questo modo, l'olio viene rapidamente raffreddato e ricondotto al serbatoio idraulico.

Installazione dell'unità di potenza

L'installazione di un ascensore idraulico spesso coinvolge più aziende nell'intero processo. L'azienda che installa l'ascensore in loco spesso si rifornisce di componenti e dell'unità di potenza da diversi fornitori. L'unità di potenza, insieme al cilindro e talvolta ad altri accessori, viene consegnata da un fornitore specializzato nella progettazione, produzione e assemblaggio di componenti per sistemi idraulici. È fondamentale che i diversi fornitori soddisfino collettivamente le esigenze dell'utente finale e comprendano i principi fondamentali della movimentazione dei materiali e dell'installazione, al fine di fornire una soluzione senza problemi.

Un ambiente polveroso, la contaminazione e una scarsa manutenzione spesso creano problemi ancor prima che l'ascensore venga installato e inizi a funzionare. A volte, l'unità e l'attrezzatura idraulica vengono consegnate mentre sono in corso altri lavori di costruzione. A volte, l'attrezzatura rimane in cantiere per giorni prima che l'installazione dell'ascensore abbia inizio. In tal caso, è necessario nasconderla adeguatamente e proteggerla dall'ambiente.

Le tubazioni idrauliche realizzate in loco devono essere controllate per verificare la presenza di residui di sbavature di saldatura e schegge metalliche che potrebbero rimanere al loro interno se non adeguatamente lavate. Queste particelle metalliche fini possono danneggiare guarnizioni, O-ring e filtri di blocco nel circuito, il che potrebbe comportare costose riparazioni e sostituzioni anche prima della prima messa in funzione dell'ascensore.

Poiché un serbatoio idraulico è un serbatoio d'olio per l'intero sistema idraulico, qualsiasi contaminazione al suo interno può diventare la principale fonte di problemi per l'intero sistema. È necessario ispezionare il serbatoio per verificarne la pulizia prima di mettere in funzione l'unità di potenza. L'olio deve essere rabboccato nel serbatoio solo utilizzando filtri adeguati. Versare l'olio in un serbatoio sporco senza filtrarlo o verificarne lo stato può causare i classici guasti del sistema, visibili già dalle prime corse dell'elevatore. Durante il trasporto, lo sporco può accumularsi sul cilindro e, per salvaguardare le guarnizioni, è necessario pulire accuratamente il cilindro prima di metterlo in funzione.

I nervi dell'unità di potenza: tubazioni idrauliche

Tubi idraulici, condotti e flessibili collegano la pompa alla valvola di controllo, la valvola di controllo al cilindro e ad altri accessori utilizzati nell'unità di potenza. I sistemi idraulici possono utilizzare tubi in acciaio o zincati, ma quest'ultima soluzione non è raccomandata, poiché il rivestimento di zinco può reagire con l'olio in modo sfavorevole. Le linee, compresi i raccordi, devono essere in grado di resistere alla pressione massima calcolata del sistema e alle sovratensioni che si creano all'interno del sistema. È molto importante che le tubazioni utilizzate abbiano una sezione trasversale sufficientemente ampia da gestire la portata richiesta senza produrre grandi cadute di pressione. Il volume di olio che può passare attraverso il tubo/tubo/flessibile in un dato periodo di tempo può essere calcolato utilizzando l'equazione prima di decidere il diametro del tubo:

Flusso = 6A*V (Equazione 1)

dove “Flusso” è il flusso di olio in Cu.dm/m, V è la velocità dell'olio in mps e A è l'area interna del tubo in centimetri quadrati.

Un tubo è identificato dallo spessore della parete e dal numero di schedula. Poiché le applicazioni degli ascensori idraulici di solito non superano i 100 bar di pressione di esercizio, rientrano in un sistema a bassa o moderata pressione e normalmente vengono utilizzati tubi di schedula 80.

I tubi flessibili idraulici utilizzati nelle tubazioni sono classificati in base a pressione, temperatura e compatibilità con i fluidi. Offrono flessibilità e vengono utilizzati per collegare la valvola di controllo al cilindro quando tubi rigidi o flessibili non possono essere utilizzati in modo efficace. Il grado SAE100 R2 è generalmente utilizzato nel settore degli ascensori idraulici. Il diametro interno del tubo flessibile deve essere adeguato per ridurre al minimo le perdite di pressione ed evitare danni al tubo dovuti alla generazione di calore o a turbolenze eccessive.

Il raggio di curvatura del tubo idraulico deve essere rigorosamente rispettato secondo le istruzioni del produttore, in quanto la mancata osservanza di tali istruzioni può causare rotture con conseguenti lesioni o morte. La parte più debole del tubo è generalmente l'area terminale o i raccordi in acciaio, che sono pressati all'estremità. Raccordi impropri e incompatibili possono essere altrettanto pericolosi durante il funzionamento. I tubi non devono mai essere attorcigliati o tirati, ma dimensionati con cura e adeguatamente supportati, se necessario.

L'uso di raccordi e connettori è inevitabile nelle tubazioni. Esistono alcuni luoghi comuni al riguardo, come ad esempio: "Se un raccordo è compatibile con un tubo flessibile conforme alle specifiche SAE o EN, funzionerà con tutti i tubi flessibili conformi alle specifiche". Questo non è assolutamente vero. Quando si realizza o si acquista un assemblaggio, si consiglia vivamente che il tubo flessibile e i raccordi provengano tutti dallo stesso produttore. Questo perché le tolleranze dimensionali elencate nelle norme sono piuttosto ampie. I tubi flessibili non prodotti con dimensioni rigorosamente controllate potrebbero comunque soddisfare gli standard, ma essere difficili da assemblare e avere prestazioni insoddisfacenti a causa delle variazioni di compressione durante la crimpatura dei raccordi.

Conclusione

La progettazione del serbatoio idraulico e la scelta dell'olio sono parametri importanti per la realizzazione di un'unità di potenza esente da guasti. Insieme, questi due fattori contribuiscono notevolmente alla dissipazione del calore e al naturale processo di raffreddamento. Con un'adeguata progettazione e una sala macchine adeguatamente ventilata, i refrigeratori non sono generalmente necessari. È necessario eseguire un calcolo del bilancio termico dell'impianto ascensore per garantire prestazioni ottimali, che si ripagano durante l'intero ciclo di vita dell'impianto.

Domande sul rinforzo dell'apprendimento

Usa le seguenti domande sul rinforzo dell'apprendimento per studiare per l'esame di valutazione della formazione continua disponibile online su www.elevatorbooks.com o a pagina 181 di questo numero.
• Quali sono i criteri importanti nella scelta di un serbatoio idraulico, di un olio e di un radiatore dell'olio per un ascensore idraulico?
• Fornire alcune caratteristiche dell'olio utilizzato negli ascensori idraulici.
• Quali fattori devono essere considerati nel calcolo del bilancio termico dell'ascensore idraulico?
• Quali precauzioni bisogna adottare durante l'installazione di un ascensore idraulico?
• Spiegare brevemente i principi delle tubazioni idrauliche.

Referenze
[1] P. Mehta, “Ascensori idraulici: sfatare il mito”, EW India, 2° trimestre 2010.
[2] P. Mehta, “Ascensori idraulici – Configurazione dell’unità di potenza”, EW, dicembre 2010.
[3] F. Celik e M. Kucur, “Importanza dell’equilibrio termico per gli ascensori idraulici”, Elevator Technology 18: Atti di Elevcon 2010.