Efficienza complessiva

In idraulica, il rendimento complessivo descrive il rapporto tra la potenza utile erogata e la potenza immessa in un componente idraulico o in un intero sistema. Esso riassume tutte le perdite di energia e indica l’efficienza con cui funziona una pompa idraulica, un motore idraulico o un impianto. Un elevato rendimento complessivo comporta minori perdite di potenza e un minor consumo energetico.

Composizione del rendimento complessivo

Il rendimento complessivo di una macchina idraulica è dato dal prodotto del rendimento volumetrico e del rendimento idromeccanico. Entrambi i rendimenti parziali tengono conto dei diversi meccanismi di perdita che si verificano in ogni macchina a spostamento. Solo se entrambi i rendimenti parziali si attestano su un livello elevato, anche il rendimento complessivo raggiunge valori soddisfacenti.

Rendimento volumetrico

Il rendimento volumetrico descrive il rapporto tra la portata volumetrica effettivamente convogliata o assorbita e la portata volumetrica teoricamente possibile. La differenza è dovuta a perdite interne che fluiscono dall’area ad alta pressione a quella a bassa pressione o verso l’esterno. Le geometrie delle fessure su pistoni, dischi di comando e superfici di tenuta costituiscono i principali percorsi di perdita. Un rendimento volumetrico del 90% significa che il 10% della portata teorica va perso per perdite.

Le perdite per dispersione dipendono fortemente dalla viscosità dell’olio idraulico. In caso di bassa viscosità, causata ad esempio da elevate temperature di esercizio, le perdite aumentano e l’efficienza volumetrica diminuisce. Al contrario, una viscosità più elevata riduce le perdite, ma allo stesso tempo aumenta le perdite per attrito, compromettendo l’efficienza idromeccanica. Questo conflitto di obiettivi rende la scelta dell’olio giusto e della temperatura di esercizio un aspetto centrale dell’ottimizzazione dell’efficienza.

Rendimento idromeccanico

L’efficienza idromeccanica comprende tutte le perdite causate dall’attrito all’interno della macchina. Queste includono l’attrito solido su cuscinetti e guarnizioni, l’attrito del fluido negli spazi e le perdite di flusso nei passaggi e nelle scanalature di controllo. Anche la cosiddetta potenza di sollevamento a vuoto, che una pompa deve fornire già durante il funzionamento senza pressione, rientra nelle perdite idromeccaniche.

All’aumentare della pressione, l’efficienza idromeccanica aumenta inizialmente, poiché la potenza utile cresce in rapporto alle perdite per attrito. A pressioni molto basse, ad esempio inferiori a 10 bar, l’attrito domina il bilancio di potenza e l’efficienza idromeccanica diminuisce notevolmente. Questo effetto spiega perché le pompe idrauliche in funzionamento a carico parziale presentano spesso efficienze complessive nettamente inferiori rispetto al funzionamento nominale.

Rendimenti complessivi tipici dei componenti idraulici

I rendimenti complessivi raggiungibili variano notevolmente a seconda del tipo di costruzione. I progettisti devono tenere conto di queste differenze nella scelta di pompe e motori, poiché hanno un’influenza diretta sul consumo energetico e sullo sviluppo di calore dell’impianto.

Rendimenti complessivi delle pompe idrauliche

Le pompe a pistoni assiali raggiungono i più alti rendimenti complessivi, poiché la geometria della superficie di controllo dei pistoni limita sia le perdite che gli attriti. Nel punto di funzionamento ottimale, a pressioni comprese tra 200 e 280 bar e velocità comprese tra 1500 e 1800 giri/min, i valori superano il 90%. Le pompe a ingranaggi presentano rendimenti inferiori a causa delle loro superfici di separazione relativamente ampie e della mancanza di possibilità di regolazione. Il loro punto di forza risiede più nella robustezza e nell’economicità che nell’efficienza.

Rendimenti complessivi dei motori idraulici

A parità di costruzione, i motori idraulici raggiungono spesso rendimenti complessivi leggermente superiori rispetto alle pompe. Il motivo risiede nel fatto che i motori non devono fornire una portata attiva contro una resistenza di pressione, ma trasformano la pressione in movimento rotatorio. I meccanismi di perdita sono simili, ma la loro incidenza varia: nei motori, le perdite di flusso nei canali di aspirazione hanno un peso minore rispetto alle perdite di pompaggio nelle pompe.

Fattori che influenzano l’efficienza complessiva

L’efficienza complessiva non è un valore fisso, ma dipende fortemente dalle condizioni di esercizio. Lo stesso motore a pistoni assiali può presentare efficienze comprese tra il 60 e il 94 per cento a seconda del punto di funzionamento. Chi progetta o gestisce impianti deve conoscere queste dipendenze per far funzionare i componenti nel campo di lavoro più efficiente.

Pressione e velocità

La pressione del sistema influenza il rendimento complessivo attraverso entrambi i rendimenti parziali. All’aumentare della pressione, aumentano le perdite, il che riduce il rendimento volumetrico. Allo stesso tempo, il rendimento idromeccanico aumenta perché le perdite per attrito diminuiscono rispetto alla potenza trasmessa. In sintesi, per la maggior parte delle pompe e dei motori si ottiene un rendimento massimo nell’intervallo della pressione nominale. Al di sotto di 10 bar, il rendimento complessivo diminuisce drasticamente.

Anche la velocità influisce su entrambi i rendimenti parziali, ma in senso opposto. Velocità più elevate migliorano il rendimento volumetrico, poiché la perdita per giro rimane costante, mentre la portata volumetrica aumenta. Allo stesso tempo aumentano le perdite per attrito, in particolare l’attrito del fluido nelle fessure. Anche in questo caso esiste un intervallo di velocità ottimale, che varia a seconda delle dimensioni e del tipo di costruzione.

Viscosità e temperatura

La viscosità dell’olio idraulico è uno dei fattori che influenzano maggiormente l’efficienza complessiva. Con una viscosità ottimale, che per la maggior parte delle applicazioni industriali si colloca tra 30 e 50 mm²/s, le pompe e i motori raggiungono i loro valori migliori. Se la viscosità si discosta verso l’alto o verso il basso, uno dei due rendimenti parziali peggiora inevitabilmente.

Le alte temperature di esercizio riducono la viscosità e aumentano le perdite, mentre le basse temperature aumentano la viscosità e intensificano l’attrito. Un sistema di alimentazione dell’olio termoregolato, che mantiene l’olio idraulico nell’intervallo di viscosità ottimale, migliora in modo sostenibile l’efficienza complessiva. In pratica, gli impianti con regolazione della temperatura dell’olio raggiungono spesso rendimenti superiori di diversi punti percentuali rispetto ai sistemi non termoregolati.

Funzionamento a carico parziale

Nel funzionamento a carico parziale, ovvero con portata o velocità ridotte, l’efficienza complessiva diminuisce notevolmente in quasi tutti i modelli. Le pompe a cilindrata variabile, che riducono il loro volume di cilindrata a una piccola frazione, funzionano con perdite relative per dispersione notevolmente aumentate. Anche la potenza a corsa zero incide in caso di regolazione ridotta. Nei motori ad asse obliquo che scendono a meno del 30% della loro regolazione massima, l’efficienza complessiva può scendere di 10-20 punti percentuali al di sotto del valore nominale.

Questa correlazione è particolarmente rilevante per le applicazioni con un fabbisogno di potenza molto variabile. In questi casi, i sistemi a più pompe o i sistemi di regolazione in funzione del carico offrono vantaggi, poiché sono in grado di mantenere le pompe attive sempre in un campo di funzionamento con un rendimento elevato.

Misurazione e standardizzazione dell’efficienza complessiva

La norma di riferimento per la misurazione dell’efficienza delle macchine idrauliche a spostamento è la ISO 4409. Essa definisce le procedure di prova per pompe, motori e riduttori compatti idraulici, compresa la configurazione del banco di prova, il posizionamento dei sensori e lo svolgimento della prova. La precisione di misura è suddivisa in classi, dove la classe B è quella più comune per la maggior parte delle applicazioni industriali.

Su un banco di prova conforme alla norma ISO 4409 vengono rilevati contemporaneamente pressione, coppia e portata volumetrica. Da queste grandezze di misura è possibile determinare sia l’efficienza volumetrica che quella idromeccanica e, di conseguenza, calcolare l’efficienza complessiva. La norma garantisce che i risultati dei diversi produttori siano comparabili.

La norma DIN EN ISO 4413, invece, disciplina i requisiti di sicurezza degli impianti idraulici e non contiene prescrizioni dirette relative alla misurazione dell’efficienza. Ciononostante, è rilevante per i gestori degli impianti perché stabilisce requisiti di progettazione che influenzano indirettamente l’efficienza, come ad esempio la prescrizione che gli impianti debbano essere progettati in modo da non generare calore superfluo.

Importanza dell’efficienza complessiva per la progettazione dell’impianto

L’efficienza complessiva ha conseguenze dirette sulla progettazione di un impianto idraulico. Ogni punto percentuale di potenza che va perso nella pompa o nel motore si trasforma in calore. Questo calore deve essere dissipato tramite radiatori, il che richiede energia aggiuntiva e spazio di installazione. Una pompa con un rendimento complessivo dell’85% trasforma il 15% della potenza motrice in calore. Con una potenza motrice di 100 kW, si tratta di 15 kW di potenza persa che gravano sul radiatore dell’olio.

I progettisti che ottimizzano l’efficienza complessiva già in fase di progettazione riducono non solo il consumo energetico dell’impianto, ma anche i costi di raffreddamento e filtraggio. Negli impianti industriali a funzionamento continuo, come le presse a iniezione o le presse, l’utilizzo di componenti più efficienti si ammortizza spesso in pochi anni grazie al risparmio sui costi energetici.

Misure per migliorare l’efficienza complessiva

Diversi approcci aiutano a migliorare l’efficienza complessiva di un impianto idraulico o a mantenerla ad un livello elevato:

• Scelta dei componenti: la scelta del modello giusto per la specifica applicazione è la leva più importante. Le pompe e i motori a pistoni assiali offrono i migliori presupposti per un elevato rendimento in presenza di carichi variabili.
• Ottimizzazione del punto di funzionamento: le pompe e i motori dovrebbero funzionare il più possibile vicino al loro massimo rendimento. I sistemi di regolazione a variazione continua in funzione del carico aiutano ad adattare il punto di funzionamento.
• Gestione della temperatura dell’olio: un’alimentazione dell’olio a temperatura controllata mantiene la viscosità nell’intervallo ottimale ed evita perdite di efficienza dovute a temperature troppo alte o troppo basse.
• Manutenzione e monitoraggio delle condizioni: l’usura di pistoni, dischi di comando e guarnizioni aumenta le perdite e riduce l’efficienza volumetrica. Analisi regolari dell’olio e misurazioni della pressione e della portata volumetrica consentono di individuare tempestivamente le perdite di efficienza.
• Architettura del sistema: i sistemi a più pompe, i controlli load-sensing e gli azionamenti a velocità variabile riducono le perdite a carico parziale e migliorano l’efficienza complessiva dell’impianto.

Tendenze di sviluppo

I requisiti di efficienza energetica dei sistemi idraulici sono in continuo aumento, spinti dai requisiti normativi e dalla pressione economica. I produttori sviluppano pompe e motori con geometrie di fessura ottimizzate che riducono le perdite senza aumentare l’attrito. Nuovi processi di rivestimento per pistoni e dischi di comando riducono l’usura e stabilizzano l’efficienza complessiva per tutta la durata di vita.

Inoltre, stanno acquisendo importanza i concetti di azionamento a velocità variabile. Essi consentono di regolare la portata non tramite la regolazione della pompa, ma adattando la velocità del motore. In questo modo si eliminano le perdite di regolazione e l’efficienza complessiva migliora notevolmente, in particolare nel funzionamento a carico parziale. La tecnologia dei sensori, che rileva pressione, temperatura e portata direttamente sul componente, consente inoltre una regolazione in tempo reale ottimizzata per il punto di funzionamento.