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I primi dispositivi meccanici usati per la trasmissione del momento meccanico mediante l'attrito o l'ingranamento erano inventati già nell'antico Egitto. Le forze trasmesse non erano rilevanti e la precisione di fabbricazione e di aggiustaggio dei pezzi non aveva l'importanza tale da dover risolvere i problemi legati alla durata di vita e la riduzione dell'usura dei meccanismi. Il materiale più usato per la fabbricazione degli ingranaggi meccanici era il legno e solo molto più tardi per tali scopi hanno iniziato a usare i metalli. L'utilizzo delle trasmissioni meccaniche che sfruttano generalmente il principio di ingranamento ha aperto le nuove possibilità per trasmettere le forze molto più significative e ridurre contemporaneamente le dimensioni d'ingombro del meccanismo stesso. Dall'alto conto, il problema di lubrificazione degli elementi a contatto è diventato molto più acuto, perché l'attrito comportava una precoce usura degli stessi riducendo il rendimento o provocando addirittura la messa del meccanismo fuori servizio. Gli stessi problemi riguardavano anche i supporti degli elementi mobili dei meccanismi, perché la precisione della posizione degli stessi nello spazio è diventata indispensabile per un coretto funzionamento. C'è da aggiungere, che le perdite della potenza trasmessa causate dall'attrito abbassavano notevolmente il rendimento del meccanismo.
Per risolvere l'insieme di questi problemi sono stati inventati i materiali lubrificanti, e in particolare gli oli lubrificanti, che attualmente hanno trovato una larga applicazione in diversi meccanismi e macchine tranne che nei casi in cui l'utilizzo dell'olio è indesiderabile o inammissibile. Dal punto di vista di origine gli oli lubrificanti si possono suddividere in:
Gli oli di origine vegetale e animale sono estratti corrispondentemente dai semi di piante e dai grassi animali. L'olio di ricino, che si riferisce agli oli di origine vegetale, qualche tempo fa era un lubrificante ampiamente utilizzato nei motori. Gli oli di origine sopraccitata si riferiscono al gruppo di oli organici che sono normalmente utilizzati miscelati con oli minerali perché si distinguono, da una parte, per una bassa resistenza termica, ma, dall'altra parte, dimostrano le elevate prestazioni lubrificanti.
I più moderni sono gli oli sintetici ottenuti per sintesi chimica da diverse sostanze (idrocarburi, silicio, materiali organici ecc.). La produzione di tali oli è un processo costoso e difficile, il che rende i prezzi degli oli sintetici abbastanza elevati, ma il prodotto ottenuto si distingua per l'alta qualità e può essere impiegato nei punti più critici. Uno dei vantaggi chiave degli oli sintetici sta nell'elevata stabilità che permette di aumentare notevolmente la durata di esercizio degli stessi. Facendo la miscela degli oli sintetici con quelli minerali si ottengono i c.d. oli semi-sintetici che rappresentano il compromesso tra il costo e la qualità.
Lo sviluppo tecnico ha dato un forte stimolo alla produzione di più svariate macchine e meccanismi che richiedono un'adeguata lubrificazione. L'olio lubrificante va scelto in funzione delle sue proprietà anticorrosive e antiossidanti, temperatura di esercizio, viscosità, stabilità dell'emulsione a base acquosa, composizione chimica ecc. Per il campo di applicazione gli oli con le proprietà ottimali per una certa categoria di macchine sono divisi in seguenti gruppi:
Gli oli industriali sono tra i più diffusi e sono destinati principalmente alla lubrificazione di diversi organi meccanici delle macchine utensili, riduttori ed elementi degli stessi. Dato il continuo contatto tra gli organi meccanici gravemente sollecitati, gli oli di questo gruppo sono generalmente contaminati con le impurità meccaniche quali particelle metalliche, frammenti delle guarnizioni in gomma e in materie plastiche. Nel corso dell'esercizio la concentrazione dei prodotti di ossidazione nell'olio lubrificante si aumenta.
L'uso delle turbine richiede che gli oli lubrificanti garantiscano una costante stabilità di funzionamento durante un lungo periodo di esercizio. Il mantenimento della debita efficienza dell'olio diventa uno dei preminenti fattori per il raggiungimento di una lunga durata di vita della turbina, considerando che quasi un quarto di tutti i casi dei guasti e dei danneggiamenti delle turbine è dovuto al peggioramento delle caratteristiche prestazionali dell'olio. Gli oli per le turbine devono garantire un'elevata resistenza all'ossidazione, prevenire la corrosione degli elementi lubrificati e la contaminazione con le impurezze meccaniche o acquose. In alcuni casi l'olio per le turbine può essere continuamente rigenerato, mentre nel caso degli impianti grossi la rigenerazione dell'olio diventa possibile solo durante l'arresto completo dell'impianto e per tale motivo mantenere le proprietà dell'olio durante l'intero periodo di funzionamento tra le due fermate diventa poco probabile. Come si evince dalla denominazione, gli oli per i motori da aviazione sono impiegati per i motori, riduttori e cuscinetti dei velivoli. Le condizioni di utilizzo di tali oli si distinguono per alte temperature che comportano l'intensificazione dei processi di ossidazione con conseguente contaminazione dell'olio con i prodotti provenienti dalle reazioni chimiche di ossidazione quali asfalteni, carbeni e carboidi. L'ossidazione colpisce prima di tutto gli idrocarburi più instabili presenti nell'olio e, di conseguenza, il processo chiave per la rigenerazione dell'olio impiegato nel settore aereo consiste nell'eliminazione di tali composti chimici.
Nel processo dell'esercizio il livello di prestazione degli oli lubrificanti si abbassa in seguito alla contaminazione con le impurità estranee o alla variazione chimica dei componenti. L'olio usato deve essere smaltito o depurato. Le principali sostanze inquinanti dell'olio sono seguenti:
La presenza dell'acqua esercita una notevolmente influenza negativa sulla qualità dell'olio lubrificante che si esprima non solo nella variazione dei parametri fisici della stessa, ma si esprime nel fatto che l'acqua può entrare nella reazione chimica con i componenti dell'olio provocando i processi di ossidazione degli stessi. L'olio contenente l'acqua provoca un intenso fenomeno corrosivo. Nel caso dell'utilizzo dell'olio a basse temperature l'acqua può assumere la forma cristallina ed esercitare un'azione abrasiva sugli elementi lubrificati delle macchine e dei meccanismi. La presenza dell'acqua può provocare l'elettroerosione che consiste nel processo di asportazione delle particelle del metallo dalla superficie degli elementi lubrificati per effetto dell'impulso della scarica elettrica. Oltre a quanto sopradetto, le inclusioni dell'acqua possono diventare il luogo di presenza e di riproduzione dei microorganismi che comportano il peggioramento delle principali caratteristiche prestazionali dell'olio.
Come le inclusioni gassose si possono indicare l'aria atmosferica, i gas tecnologici, i gas provenienti dalle reazioni chimiche che decorrono nell'olio lubrificante. In funzione della composizione chimica del gas, la sua influenza negativa può essere molto diversa: dall'interazione chimica con i componenti dell'olio fino all'effetto di cavitazione esercitante un'azione distruttiva sugli elementi lubrificati delle macchine e dei meccanismi.
Le diverse sostanze solide sono le più diffuse e le più pericolose sostanze contaminanti dell'olio. La principale destinazione degli oli lubrificanti consiste nella riduzione dell'usura degli elementi causata dall'attrito, mentre proprio le sostanze solide presenti nell'olio comportano l'usura abrasiva delle superfici in contatto. Le fonti di tale contaminazione possono essere molto diverse: sostanze solide prodotte in seguito alle reazioni chimiche che decorrono nell'olio, la ruggine e le scaglie di ferro, le sostanze solide che si staccano nel processo di esercizio sia dai pezzi lubrificati sia dagli elementi di tenuta.
I processi di ossidazione che coinvolgono gli idrocarburi più instabili presenti dell'olio sono indotti principalmente dall'azione di alta temperatura. In seguito a tali reazioni vengono prodotte diverse sostanze estranee quali acidi, resine, asfalteni, carbeni ecc. che provocano l'alterazione delle proprietà fisico-chimiche degli oli con conseguente peggioramento delle caratteristiche prestazionali degli stessi. Si può parlare anche di altre reazioni esercitanti con il tempo una notevole influenza sulla composizione chimica dell'olio. Tali variazioni chimiche provocano il c.d. effetto di "invecchiamento" dell'olio.
Oltre a quanto sopra esposto, gli oli possono esser contaminati con i prodotti tecnologici presenti nel macchinario nel caso in cui nel processo di funzionamento gli stessi si mettono in contatto o nel caso della fuga di tale prodotto per qualsiasi causa che nella grande maggioranza di casi provoca la necessità di separazione degli stessi per il mantenimento delle proprietà fisico-chimiche dell'olio.
Il recupero degli oli usati risulta troppo oneroso dal punto di vista finanziario ma, dato un alto costo dovuto alla complessità di produzione degli stessi, l'uso degli oli lubrificanti senza l'ulteriore trattamento diventa economicamente inconveniente. È molto più conveniente provvedere alla rigenerazione degli oli lubrificanti e asportarne le sostanze contaminanti accumulatisi per poter riutilizzarlo nel sistema di lubrificazione.
Lo specifico metodo di depurazione deve essere scelto sulla base delle caratteristiche dei contaminanti, la composizione dell'olio e il debito grado di pulizia. Nel caso di una forte contaminazione si può ricorrere a diverse fasi e metodi di depurazione dell'olio. La procedura generale consiste principalmente nell'asportazione delle impurità più grandi e più facilmente separate, dopodiché si procede alla fase di depurazione più fine. Se l'impianto di depurazione è destinato al trattamento degli oli di diverse qualità e la rimozione delle sostanze contaminanti più svariate, tale impianto può includere i dispositivi di depurazione di diverse soluzioni costruttive attivate a bisogno in ogni caso specifico.
I metodi di depurazione degli oli si possono suddividere in tre principali gruppi:
Nel processo di depurazione con i metodi fisici, l'olio non subisce alcuna variazione chimica e il processo si realizza sfruttando una certa azione fisica che potrebbe essere la forza di gravità, quella centrifuga, il campo elettrico o magnetico ecc. Sono impiegati inoltre i diversi processi di scambiamento di calore, la filtrazione e la vibrazione. I metodi che appartengono a questo gruppo sono impiegati generalmente alla prima fase di trattamento che prevede l'asportazione delle impurità meccaniche, dei liquidi inquinanti (compresa l'acqua) e delle inclusioni gassose. I più diffusi metodi fisici di depurazione sono seguenti:
Tale metodo è molto semplice ma poco efficace per causa di una lunga durata del processo. Con questo metodo vengono separate le particelle solide più grossolane e le fasi liquide relativamente pesanti che tendono a depositarsi sul fondo sotto l'azione della forza di gravità. La sedimentazione o la decantazione avviene negli apparecchi di costruzione molto semplice chiamati decantatori. Le caratteristiche di questo metodo permettono di impiegarlo alla fase preliminare della depurazione per diminuire il carico su successivi dispositivi di depurazione fine.
Si tratta del metodo di centrifugazione dell'olio che in linea di principio è molto simile a quello di sedimentazione, ma sfrutta, invece di una debole forza di gravità, la forza centrifuga che è molto più efficace e permette di intensificare notevolmente il processo di separazione. L'accelerazione del processo ha comportato la complicazione del macchinario. Per il funzionamento delle centrifughe sono impiegate le apposite fonti dell'energia (che sono, generalmente, i motori elettrici).
Il metodo di filtrazione consiste nel far passare l'olio contaminato attraverso il materiale filtrante la cui struttura porosa o reticolare permette di lasciar passare i componenti dell'olio, trattenendo contemporaneamente le impurezze solide e liquide. Il grado di depurazione dipende sia dalle dimensioni delle particelle separate sia dalle dimensioni dei pori o maglie di rete. Come i mezzi filtranti si possono impiegare la rete metallica o plastica, la ceramica, il tessuto, la carta e i materiali compositi più complessi. Il dispositivo destinato al processo di filtrazione si chiama filtro. Una scelta corretta del mezzo filtrante permette di regolare il filtro in modo da garantire sia la depurazione grossa sia quella fine. Il principale punto debole di questo processo è la necessità di rigenerare i mezzi filtranti che, con il passare del tempo, sono soggetti all'intasamento o di smaltire gli stessi nel caso in cui la rigenerazione diventa impossibile.
Nel processo di utilizzo dei metodi di questo gruppo i componenti dell'olio possono subire nel corso di depurazione alcune parziali trasformazioni chimiche. Tali metodi sono, generalmente, più complessi e più costosi rispetto a quelli fisici, ma consentono di attuare la depurazione degli oli più profonda e più completa. I metodi fisico-chimici della depurazione sono:
La depurazione dell'olio ad adsorbimento consiste nel far passare l'olio attraverso lo strato dell'adsorbente che rappresenta un mezzo molto poroso con la struttura che consente di trattenere una serie d'impurezze in soluzione. Come tale mezzo poroso si possono impiegare diversi materiali naturali quali: argilla saponifera, bauxiti e i materiali appositamente selezionati quali silicagel e allumina. L'efficienza della depurazione ad adsorbimento dipende fortemente dal rapporto tra le dimensioni dei pori e quelle di particelle da separare. Un elevato grado di depurazione con tali metodi ha il suo lato negativo che consiste nel costo elevato dei materiali adsorbenti che nel corso dell'esercizio richiedono una regolare rigenerazione o nella peggiore ipotesi sono monouso. I sorbenti naturali sono meno costosi, ma anche molto meno efficienti rispetto a quelli sintetici. I meccanismi per il processo di depurazione ad adsorbimento sono gli adsorbitori.
Questo metodo è destinato principalmente a migliorare l'efficienza di alcuni metodi fisici e sfrutta il principio di adesione e di coagulazione delle sospensioni colloidali presenti nell'olio che sono inseparabili o difficilmente separabili mediante la filtrazione e la decantazione ma che dopo la coagulazione diventano facilmente separabili usando i metodi fisici sopraccitati. Per la coagulazione sono impiegati i diversi agenti fisici (corrente elettrica, mescolamento, un forte riscaldamento o raffreddamento ecc.) e gli agenti speciali che sono coagulanti.
Con questo metodo dall'olio è eliminata la maggior parte dell'acqua e dei gas solubili nell'acqua. Il metodo sfrutta la differenza tra la temperatura di ebollizione dell'acqua e quella dell'olio che diventa ancor più accentuata sotto l'azione della bassa pressione generata nella camera di evaporazione dell'acqua. L'olio viene atomizzato per aumentare notevolmente l'area della superficie di evaporazione per attuare il processo di depurazione dell'olio in modo più veloce e più completo. I dispositivi impiegati per lo svolgimento di tale processo hanno una soluzione costruttiva relativamente semplice, sono abbastanza facili nell'uso, ma richiedono un regolare controllo della tenuta e non permettono alcuna penetrazione dell'aria atmosferica.
Questo processo prevede l'impiego dei solventi selettivi che non devono mescolarsi con l'olio, ma dissolvere le impurezze da eliminare. Nel processo di mescolamento dell'olio e del solvente viene generata la superficie di contratto tra le due fasi attraverso la quale si ha un intenso passaggio del contaminante dall'olio nel solvente, dopodiché le fasi vengono separate con successiva purificazione del solvente dalle impurità solute per garantire l'ulteriore riutilizzo dello stesso. Il metodo è molto efficace, ma nel caso in cui nell'olio siano presenti gli additivi, il che succede molto frequentemente, l'utilizzo di questo metodo è inammissibile perché nella stragrande maggioranza dei casi nel solvente, insieme alle impurezze, passano anche gli additivi, facendo compromettere le principali caratteristiche dell'olio.
I metodi di questo gruppo prevedono l'uso di diversi reagenti che entrano nella reazione chimica con i componenti contaminanti l'olio, cioè i metodi che prevedono le trasformazioni chimiche. Si dividono in trattamento acido e in quello alcalino.
Nella maggior parte dei casi per tale trattamento è usato l'acido solforico. Questo metodo non è certo innovativo, ma con l'andar del tempo ha confermato la sua efficienza e viene impiegato per la rimozione delle resine, asfalto, idrocarburi insaturi e altri composti che formano i sedimenti provenienti dal processo dell'interazione con l'acido solforico. Tali sedimenti, facilmente separabili dall'olio, sono chiamati il bitume acido. Come la fase di finissaggio si procede alla neutralizzazione dei residui del bitume acido e dell'acido stesso con il trattamento alcalino.
Il trattamento alcalino viene impiegato nel caso di una forte contaminazione dell'olio quando si deve rimuoverne diversi acidi organici ed esteri. In seguito a tale trattamento sono prodotti i composti chimici facilmente solubili nell'acqua, il che rende efficace il successivo lavaggio degli stessi. Com'è stato detto sopra, il trattamento alcalino può essere impiegato nella fase finale del trattamento acido, ma può anche diventare una fase distinta di depurazione dell'olio.
Filtri
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