Picchi di pressione negli impianti idraulici: un rischio per i sensori e gli impianti stessi

Picchi di pressione negli impianti idraulici: un rischio per i sensori e gli impianti stessi

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Industria

I picchi di pressione si verificano praticamente in tutti le tubazioni che conducono gas e sostanze liquide. Le pressioni che si generano nel giro di pochi millisecondi possono superare la pressione di sovraccarico dei trasmettitori di pressione utilizzati, rovinando questi ultimi.

Solitamente ci si accorge dei picchi di pressione, ovvero pressioni molto elevate che durano per poco tempo, solo a danno avvenuto. I picchi di pressione sono la conseguenza di colpi di pressione e altri fenomeni fisici (cavitazione, effetto micro diesel) presenti ovunque si trasportino sostanze liquide o gas attraverso dei tubi. Tuttavia, i picchi di pressione con i gas sono meno rilevanti per via della loro relativamente alta compressibilità e solo di rado costituiscono un problema. Quando si parla di condutture dell’acqua si utilizza spesso anche il termine “colpo d’ariete”. Con questo termine si indica una variazione della pressione dinamica del liquido. Quando ad esempio si chiude velocemente una valvola, il flusso d’acqua si blocca all’istante. Questo provoca un’onda di pressione che percorre il mezzo in direzione opposta al flusso ad una velocità sonica per poi riflettersi di nuovo nel verso contrario. Nel giro di millisecondi si crea un forte aumento della pressione che può causare danni ai sensori di pressione e all’impianto (danni ai raccordi e ai fissaggi dei tubi, nonché alle pompe e alle loro fondazioni ecc.). In primo luogo, però, colpisce solitamente lo strumento di misurazione ed è su questo che ci concentreremo di seguito. I danni possono manifestarsi sotto forma di un minuscolo “colpo perforante” o sotto forma di deformazioni (vedi immagini 1 e 2).

Immagine 1: “colpo perforante” a seguito di un picco di pressione

Immagine 2: deformazioni dovute a picchi di pressione

Se la pressione applicata sul trasmettitore di pressione supera la pressione di sovraccarico, il trasmettitore subisce danni permanenti. Ci sono due possibili scenari: per quanto possa suonare paradossale, se con un picco di pressione si ha la distruzione totale dello strumento di misurazione è la conseguenza migliore che possa capitare, poiché in questo caso gli utenti si accorgono immediatamente del danno. Se, invece, a seguito di un picco di pressione il sensore si deforma semplicemente, questo continua a funzionare, ma fornisce soltanto misurazioni inaccurate. Le conseguenze economiche sono di gran lunga maggiori rispetto ad un sensore completamente rotto. 

Ecco come evitare i danni causati dai picchi di pressione 

La strada maestra per prevenire i danni causati dai picchi di pressione è integrare negli impianti gli smorzatori di pulsazioni o i riduttori di pressione. Altri mezzi, come ad esempio l’uso di valvole, non servirebbero a raggiungere l’obiettivo poiché le valvole sono troppo lente per reagire ai picchi di pressione che si generano in millisecondi. 

Lo scopo di un riduttore è ammortizzare i picchi di pressione, cosicché non superino più la pressione di sovraccarico del trasmettitore di pressione provocando dei danni. A questo proposito il riduttore viene posizionato nel canale di pressione prima della cella del sensore. Così facendo, i picchi di pressione non colpiscono più la membrana in modo diretto e incondizionato, dal momento che devono prima snodarsi nel riduttore.

Immagine 3: Canale di pressione con riduttore di pressione

Sulla base dell’ottima protezione fornita contro i picchi di pressione, l’utilizzo dei riduttori di pressione è la variante migliore, eppure non è priva di insidie. Soprattutto nel caso di sostanze con parti solide e parti in sospensione, infatti, si può verificare un blocco del canale di pressione per via delle calcificazioni e delle sedimentazioni. Come conseguenza si avrà un rallentamento del segnale di misurazione. Quindi, quando si utilizzano i riduttori di pressione in questo tipo di applicazioni, bisogna eseguire periodicamente dei controlli. 

Una protezione supplementare contro i picchi di pressione può essere fornita da una maggiore resistenza di sovraccarico rispetto alla norma. Se questo sia consigliabile o meno dipende dalla singola applicazione: quando, ad esempio, sono richiesti valori di alta precisione, questi potrebbero non essere più raggiunti in caso di resistenza di sovraccarico molto elevata rispetto al campo di misurazione.

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Effetto diesel negli impianti idraulici: danni materiali come conseguenza

Effetto diesel negli impianti idraulici: danni materiali come conseguenza

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Industria

Come suggerisce il nome, il concetto di effetto diesel fa riferimento al processo di combustione in un motore diesel. Si tratta di un fenomeno osservabile negli impianti idraulici. Oltre ai picchi di pressione, le conseguenze sono invecchiamento dell’olio, residui e distruzione delle guarnizioni.

L’effetto diesel si verifica a seguito della cavitazione. Pertanto, vogliamo prima esaminare le condizioni all’origine della cavitazione nei sistemi idraulici per poi dedicarci all’effetto diesel. 

Cavitazione nei sistemi idraulici 

Gli oli idraulici contengono aria disciolta a seconda del gas, della temperatura, del liquido e della pressione. Una cavitazione è infine un’espulsione d’aria dall’olio idraulico. Ciò si verifica quando l’olio è soggetto ad una certa pressione o ad un determinato movimento di taglio. In pratica succede nelle linee di aspirazione, negli spazi interni delle pompe, nei restringimenti trasversali e nei punti di un sistema idraulico in cui ci sono pulsazioni. Quando la massa dell’olio in movimento si rompe, si formano delle cavità in cui vengono liberate minuscole bolle d’aria. 

L’effetto diesel 

Se le bolle d’aria generatesi dalla cavitazione, contenenti anch’esse particelle d’olio, vengono sottoposte ad una pressione elevata, la temperatura all’interno delle bolle aumenta drasticamente. Questo forte aumento della temperatura genera l’effetto diesel, ovvero combustioni nel sistema idraulico. Il processo di combustione avviene nel giro di millisecondi. 

Le conseguenze della cavitazione e dell’effetto diesel 

La cavitazione può avere una moltitudine di effetti negativi, tra cui danni materiali ai corpi delle pompe e alle valvole di sovrappressione, aspirazione di elementi di tenuta come gli O-ring, alterazione della caratteristica del flusso, riduzione dell’efficacia delle pompe e degli ingranaggi per via delle perdite di riempimento, rumori, colpi d’ariete con picchi di pressione che superano la pressione di sistema, e, non ultimo, l’effetto diesel che si manifesta sotto forma di invecchiamento dell’olio, residui di combustione e guarnizioni distrutte. 

Le conseguenze della cavitazione e dell’effetto diesel non sono sempre subito evidenti. Spesso si notano quando è già troppo tardi ed è necessaria una riparazione degli impianti idraulici. I picchi di pressione dovuti alla cavitazione e all’effetto diesel possono danneggiare anche i trasmettitori di pressione installati nel sistema. La membrana del trasmettitore di pressione viene “perforata” a causa dell’aumento improvviso della pressione (qui puoi leggere maggiori informazioni sul tema). 

Viste le gravi conseguenze della cavitazione e dell’effetto diesel occorre adottare misure appropriate al fine di evitare il verificarsi di questi fenomeni. Tra queste misure rientrano un sufficiente riempimento delle camere di aspirazione e basse velocità di flusso, evitando angoli vivi, deviazioni e pressioni pulsanti.

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Misurare la pressione in modo accurato è essenziale per sviluppare una pompa dell’olio elettrica

Misurare la pressione in modo accurato è essenziale per sviluppare una pompa dell’olio elettrica

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Industria

Spinti dall’inasprirsi degli obiettivi per le emissioni globali, gli OEM si stanno rivolgendo sempre di più all’elettrificazione per ridurre il consumo di carburante e le emissioni di gas serra. La scelta in questo ambito ricade spesso sui veicoli elettrici ibridi, spesso alimentati da un motore estremamente ridotto.

Il problema con questi motori dimensionati è che i sistemi ausiliari di potenza compromettono di molto la guidabilità e le prestazioni. Per fortuna queste perdite parassite possono essere in gran parte ridotte sostituendo i componenti tradizionalmente meccanici con unità alimentate elettronicamente. Per questo motivo, le pompe alimentate elettricamente si stanno diffondendo rapidamente nella produzione di serie; in particolare le pompe dell’olio e dell’acqua.

Immagine 1: esempio di una pompa dell’olio elettrica
Fonte dell’immagine: Rheinmetall Automotive

 

Se i vantaggi sono ovvi, l’elettrificazione, soprattutto per quanto riguarda la pompa dell’olio, è però tecnicamente complessa: gli ingegneri non solo vogliono che l’olio circoli ad una determinata velocità di flusso e pressione, ma vorrebbero che questi parametri corrispondano ai requisiti del motore in modo intelligente. 

Al fine di ottimizzare le prestazioni è importante che l’attrito e le perdite di pompaggio siano ridotti al minimo attraverso un attento controllo del flusso dell’olio nelle diverse aree del circuito dell’olio, garantendo nel contempo sempre la giusta pressione. 

Le simulazioni si basano sulle informazioni accurate della pressione e della velocità di flusso dell’olio al banco di prova 

Una pompa dell’olio alimentata elettronicamente è costituita da tre sottosistemi: la pompa, il motore e il regolatore elettronico. La prima sfida di qualsiasi nuovo sviluppo applicativo è dunque integrare in modo efficiente questi moduli in modo tale da ridurre le dimensioni e il peso totali, nonché il numero di componenti, pur ottimizzando le prestazioni. 

La funzione principale della pompa dell’olio è fornire un determinato flusso dell’olio ad una pressione ottimale. Pertanto la sua progettazione, che costituisce un processo iterativo, inizia dagli ingranaggi di pompaggio. Per la maggior parte delle applicazioni, la pompa è necessaria per fornire pressioni superiori di 1 fino a 2 bar, spesso arrivando a 10 bar. 

Come succede quasi sempre per lo sviluppo dei motori, per accelerare la fase di progettazione ci si affida a una combinazione di simulazioni e test condotti nel mondo reale. 

Il ciclo di progettazione inizia con la valutazione preliminare dell’efficienza volumetrica basata sui risultati sperimentali raccolti su pompe e applicazioni simili. Questi dati includono la velocità della pompa, la temperatura dell’olio, la pressione e la velocità di flusso. 

È importante che le informazioni usate per la valutazione siano accurate. La raccolta dei dati deve, dunque, essere effettuata utilizzando strumenti di misura precisi e altamente affidabili, in grado di fornire letture accurate nelle condizioni estreme che si verificano all’interno e intorno al motore. 

Per garantire accuratezza e ripetibilità, per la misura della pressione è importante utilizzare solo i sensori della migliore qualità. Non solo questi sensori di pressione devono fornire letture affidabili per un ampio intervallo di pressioni e temperature, ma devono anche resistere alle vibrazioni. 

Nel corso degli anni, la STS ha sviluppato dei sensori di pressione che soddisfano i requisiti degli OEM, dei fornitori di primo livello e degli specialisti della progettazione per quanto riguarda lo sviluppo dei motori. 

Sviluppo di una pompa dell’olio elettrica che supera in prestazioni l’unità meccanica 

Sulla base delle informazioni raccolte sui requisiti idraulici a varie velocità di flusso, pressioni di mandata e temperature dell’olio, si conclude una progettazione preliminare degli ingranaggi. Grazie al software Matlab’s Simulink, le informazioni riguardanti il comportamento del sistema fisico possono essere razionalizzate in un codice unidimensionale. 

In questa fase è importante notare che per generare il flusso richiesto a una determinata pressione, dovrebbe essere selezionata una velocità di rotazione che faciliti la migliore forma del motore e della pompa senza creare cavitazione o problemi di rumore, laddove il rumore per un tipico intervallo di velocità per un funzionamento continuo è solitamente compreso tra 1500 e 3500 rpm. 

Nella fase successiva è possibile creare diversi design utilizzando LMS Imagine. Il software Lab’s Amesim può ottimizzare i parametri di progettazione – per esempio il numero di denti e l’eccentricità – continuando a soddisfare tutte le condizioni di pressione, flusso e temperatura. 

Dopo aver implementato le caratteristiche geometriche dell’idraulica calcolata e aver terminato il design provvisorio, è possibile calcolare la coppia totale richiesta per guidare la pompa nei punti critici di funzionamento con la seguente formula: 

Mtot = MH + MCL + Mμ  

Dove: 

  • MH sta per la coppia idraulica dovuta alla generazione della pressione e del flusso richiesti
  • MCL sta per l’attrito di Coulomb generato quando ci sono contatti asciutti e lubrificati tra le parti scorrevoli
  • Mμ è il contributo viscoso dovuto al movimento del fluido all’interno degli spazi liberi

Una volta completata la progettazione, vengono costruiti i prototipi per valutarli nel mondo reale su un banco di prova del motore. 

La pressione dell’olio, la velocità di flusso e la temperatura a varie velocità del motore e della pompa vengono ancora una volta misurate per poter convalidare i risultati ottenuti con la simulazione. Se i risultati corrispondono alle specifiche, il programma di sviluppo viene ultimato e il progetto entra, così, nella fase di industrializzazione. 

È ovvio che per prestazioni ottimali e durabilità tutte le misure devono essere registrate in modo accurato, ma il peso dato alle informazioni generate dal sensore di pressione è, se possibile, più importante degli altri. In qualsiasi momento una pressione insufficiente può portare a un catastrofico guasto, mentre una pressione eccessiva spreca energia e può portare a problemi con le guarnizioni dell’olio.

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Prevenire la corrosione causata dai liquidi aggressivi

Prevenire la corrosione causata dai liquidi aggressivi

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Industria

L’acido carbonico e l’alcool possono danneggiare gli strumenti di misura. Un produttore di analizzatori automatici di liquidi in linea e di laboratorio ha chiesto alla STS di sviluppare un trasmettitore di pressione all’altezza delle esigenze difficili.

In caso di materiali standard, quando i trasmettitori di pressione sono esposti a liquidi aggressivi contenenti alcool e acido carbonico, si verifica il fenomeno della corrosione. L’acido carbonico, ad esempio, causa un aumento della concentrazione di ioni [H +], dando luogo alla corrosione da idrogeno. Non appena la corrosione si estende attraverso la membrana del sensore di pressione, questa diventa inutilizzabile. Per questo motivo l’acciaio inossidabile comune non è adatto per le applicazioni in cui si verifica un contatto con liquidi ad alto contenuto di acido carbonico. 

In applicazioni speciali quali in un impianto di imbottigliamento il sensore di pressione deve essere ampiamente resistente alla corrosione e contemporaneamente in grado di reggere a pressioni estremamente basse, simili al vuoto. Poiché si tratta di un’applicazione nell’industria alimentare, gli standard di igiene sono per sua stessa natura elevati. Le condizioni di pressione simili al vuoto a cui, di tanto in tanto, lo strumento di misura deve reggere, sono parte di un processo di sterilizzazione che viene periodicamente svolto (le condizioni sono paragonabili a quelle presenti nelle autoclavi, seppur non così estreme). Pressioni basse inferiori a 0 bar possono compromettere l’integrità dei sensori di pressione. Il vuoto può far sì che la membrana venga aspirata via dalla sua posizione nel sensore. Le conseguenze sono misurazioni falsate o un sensore completamente guasto. 

Per via di tutte queste esigenze abbiamo dovuto sviluppare per il produttore di analizzatori automatici di liquidi in linea e di laboratorio una soluzione personalizzata per il cliente a partire dal trasmettitore di pressione ATM.ECO. Per garantire la resistenza alla corrosione necessaria abbiamo scelto come materiale un acciaio Hastelloy e, per fissare la membrana, abbiamo utilizzato una colla speciale al fine di garantirne la stabilità a basse pressioni.  

Poiché in questa applicazione il trasmettitore di pressione funziona in condizioni di temperatura ambiente, nessuna speciale compensazione della temperatura è stata necessaria. Inoltre, l’accuratezza dello 0,25 percento del fondo scala, risulta più che sufficiente per questa particolare applicazione. Il campo di lavoro complessivo va da 1 a 15.000 psi ed è, pertanto, perfettamente adatto per le basse pressioni.

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La pressione sblocca il potenziale del gas naturale compresso

La pressione sblocca il potenziale del gas naturale compresso

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Petrolio e gas

Grazie alla sua altissima densità energetica, il gas naturale compresso (GNC) è molto adatto per essere utilizzato come carburante nel settore automobilistico. Il GNC ha un numero di ottano di circa 120  e un calore di combustione che va da 9000 a 11000 kcal/kg o da 38 a 47 MJ/kg.

Inoltre, la combustione di GNC produce molte meno emissione di CO2 rispetto, ad esempio, alla combustione della benzina. E dato che in molti mercati il GNC è un combustibile particolarmente conveniente in termini di costi, i produttori stanno mostrando un interesse sempre maggiore nello sviluppo di veicoli in grado di funzionare con questa fonte di combustibile alternativa. 

La sfida principale nell’ottimizzare un motore a combustione interna facendo in modo che funzioni a GNC è la regolazione della pressione di iniezione nella guida del carburante.

Immagine 1: esempio di un sistema a due carburanti per benzina e GNC
Fonte dell’immagine: Bosch Mobility Solutions 

Il GNC viene immagazzinato a circa 200 bar e viene generalmente iniettato tra due e nove bar, a seconda delle esigenze del motore – bassa pressione per una guida con consumo efficiente di carburante a basse velocità e pressioni più elevate quando sono richieste una potenza e una coppia maggiori. 

L’efficacia della combustione all’interno di un cilindro del motore è fortemente influenzata dalla temperatura e dalla pressione del GNC. Un aumento della pressione a volume costante si traduce in una maggiore densità di massa del gas, con conseguente aumento del suo potere calorifico. 

Ad ogni modo, anche se la temperatura iniziale e la pressione di iniezioni possono essere variate, i veicoli a gas naturale compresso, se non accuratamente calibrati durante la fase di sviluppo, possono soffrire di perdite di potenza e scarsa guidabilità. 

Iniettare il GNC sotto pressione 

Il GNC viene generalmente fornito alla guida del carburante da un serbatoio ad alta pressione tramite un regolatore di pressione. Per una combustione efficiente del carburante, la quantità di gas naturale iniettato deve sempre essere conforme alla massa d’aria richiesta dal motore. A tal fine, la gestione elettronica del motore, utilizza di norma un flussometro per determinare la quantità d’aria esatta richiesta e, successivamente, la quantità di GNC da iniettare. 

Con l’iniezione a punto centrale (CPI – Central Point Injection), il GNC viene fornito al collettore di aspirazione da un distributore di gas naturale. Un sensore di pressione del fluido misura la pressione e la temperatura nel distributore, permettendo agli iniettori del gas naturale di fornire la quantità precisa di carburante richiesto. 

In alternativa, l’iniezione può avvenire anche senza il distributore di gas naturale, allineando ogni iniettore ad un corrispondente cilindro. Con l’iniezione a punti multipli (MPI – Multi-Point Injection), il gas viene iniettato sotto pressione in ogni tubo del collettore di aspirazione del cilindro, a monte della valvola di aspirazione. 

Dal momento che, nei veicoli che utilizzano il GNC come carburante, i cambiamenti nella pressione hanno un impatto significativo sulle prestazioni del motore, la coppia motore e le emissioni di scarico (CO, CO2, NOx e idrocarburi) devono essere registrate durante la fase di test del motore. 

Ottimizzare la pressione rail per tutte le condizioni di guida 

Per ottimizzare il sistema a gas naturale compresso è importante che durante le fasi di progettazione e di test la pressione all’interno del rail venga accuratamente misurata a diverse aperture della valvola a farfalla, incrociandola ai dati della coppia motore e delle relative emissioni dei gas di scarico. Per questo la maggior parte degli ingegneri di sviluppo richiedono trasmettitori di pressione di alta qualità. 

È importante che questi sensori forniscano letture accurate per un’ampia gamma di pressioni e, allo stesso tempo, conservino la loro integrità a temperature elevate. 

Sebbene un aumento nella pressione del gas naturale compresso porti alla riduzione di CO2, HC e NOx, aumenta la quantità di CO nel gas di scarico. Ciò rende essenziale registrare in modo accurato gli effetti della modulazione della pressione di iniezione del GNC. 

Durante i test viene utilizzato un regolatore di pressione per controllare la pressione di iniezione misurata da un sensore di pressione accuratamente calibrato posto sul rail, mentre un flussometro analogico, normalmente con una capacità di 2.5 m3/h, viene utilizzato per misurare e controllare il flusso d’aria d’ingresso. Un banco dinamometro a rulli viene infine utilizzato per registrare la coppia del motore. 

Per tutta la durata del test, la temperatura del gas e la velocità di flusso sono tenute costanti rispettivamente a 22°C e 0.1 SCFH. Un ventilatore ad alta potenza viene utilizzato per mantenere la temperatura del motore durante il test, mentre l’apparecchiatura per controllare le emissioni è attaccata al tubo di scarico al fine di registrare il contenuto di CO, CO2, idrocarburi e NOx nei gas di scarico. 

Questo processo è piuttosto complesso e richiede che la pressione rail, la coppia e le emissioni siano misurate a centinaia di punti di apertura della valvola a farfalla, cosicché l’unità di controllo del motore possa creare una mappa efficace dei requisiti del motore. 

Misurare, registrare e inserire tutti questi dati nelle relative tabelle è un compito che richiede molto tempo, pertanto gli ingegneri di sviluppo spesso ricorrono a strumenti di modellazione per velocizzare lo sviluppo. Questi strumenti forniscono solitamente un ambiente per la simulazione e la progettazione basata su modelli per sistemi dinamici e integrati, riducendo in tal modo il numero di versioni hardware necessarie per progettare il sistema. 

Il modello di simulazione è codificato con le informazioni acquisite dai test condotti in tempo reale e poi integrato su un file eseguibile utilizzando il compilatore C per girare su un sistema operativo in tempo reale. 

Una volta acquisiti i dati di base è possibile generare un numero infinito di simulazioni in tempo reale da applicare a qualsiasi aspetto del ciclo di progettazione: dal concept iniziale alla progettazione del regolatore, fino alle fasi di test e convalida grazie alle tecniche di verifica hardware in the loop (HIL). 

Un programma di test ben sviluppato che utilizza sensori di pressione da laboratorio e apparecchiature di controllo sblocca le prestazioni e la guidabilità dei veicoli alimentati a GNC, equiparabili ai loro equivalenti alimentati a combustibili fossili, ma con vantaggi in termini di costi ed emissioni.

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