UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali TESI DI LAUREA in IMPIANTI MECCANICI IMPIANTI DI SERVIZIO NELL'AMBITO INDUSTRIALE:CRITERI DI DIMENSIONAMENTO DI UN IMPIANTO AD ARIA COMPRESSA Relatore: Chiar.mo Prof. Ing. Alessandro PERSONA Laureando: Michele BRUTTI ANNO ACCADEMICO

2 INDICE Introduzione p.5 Capitolo 1. Impianti di servizio p Definizione p Componenti principali p Progettazione p.7 Capitolo 2. Aria compressa p Nozioni generali p Aspetti tecnici p Centralizzazione- frazionamento p Pressione necessaria p Portata p Fattori d'uso p Espansione futura p Riduzione perdite d'aria p Aspetti economici p Costi di impianto e costi di esercizio p Economie/diseconomie di dimensione p Variabilità delle richieste delle utenze p Elasticità del generatore p Sicurezza di funzionamento p Cumulabilità del servizio p.20 2

3 Capitolo 3. Produzione dell'aria compressa p Scelta dei compressori p Tipi di compressori p Compressori volumetrici p Alternativi o a stantuffo p Rotativi a palette p Rotativi a viti p Rotativi a Roots p Rotativi ad anello liquido p Rotativi a elicoidi orbitanti p Compressori dinamico o turbocompressori p.32 Capitolo 4. Raffreddamento e stoccaggio dell'aria compressa p Refrigeratori finali p Serbatoi dell'aria compressa p.36 Capitolo 5. Essicazione dell'aria compressa p Nozioni generali p Sistemi di essicazione dell'aria compressa p Essiccatori a refrigerazione p Essiccatori ad adsorbimento p Essiccatori a deliquescenza p Essiccatori misti p.45 3

4 Capitolo 6. Layout dell'impianto p Sala compressori p Reti di distribuzione p Progettazione delle reti di distribuzione p.52 Conclusioni p.56 Bibliografia p.57 Ringraziamenti p.58 4

5 INTRODUZIONE Nel seguente elaborato verranno trattati gli impianti di servizio,prendendoli in esame dapprima in un contesto generale,per poi dedicarsi in particolare a quelli impiegati a servizio dell'aria compressa nell'ambito industriale,descrivendone le caratteristiche principali. Ci si soffermerà sulle peculiarità strettamente tecniche di questa tipologia di impianti, esaminando brevemente anche l'aspetto economico, parametro da tenere in debita considerazione nel caso si voglia procedere ad un dimensionamento di tale tipo di impianto. L'elaborato si prefigge l'obiettivo di trattare in modo sintetico ed essenziale gli aspetti tecnici importanti nell'approccio ad una progettazione di un nuovo impianto d'aria compressa ad utilizzo industriale, considerando i possibili criteri di scelta o soluzione che si possono presentare durante tale procedimento. 5

6 CAPITOLO 1. IMPIANTI DI SERVIZIO 1.1 Definizione Un impianto di servizio è definito come un sistema coordinato di macchinari ed apparecchiature, non direttamente coinvolti nella produzione, ma asserviti ai mezzi di produzione stessi e necessari a questi ultimi per realizzare le operazioni produttive. 1.2 Componenti principali Le componenti generali di un impianto di servizio (Figura 1) sono: 1. Il generatore/ricevitore: per questa parte caratteristica di un impianto si trova una differenziazione in base al flusso;in particolare si distingue se l'impianto abbia un flusso verso il componente o da esso provenga. Nel caso di impianto centrifugo è presente il generatore,dal quale proviene il flusso di servizio. Nel caso invece di impianto centripeto si ha la presenza del ricevitore,ovvero il componente nel quale si arresta il flusso di servizio. Nel dimensionamento di tale componente stabilita la tipologia del servizio, si deve stabilire la capacità, ovvero la potenza erogabile sotto il vincolo della quantità richiesta. 2.Le linee di distribuzione: sono gli organi attraverso i quali il servizio è fatto pervenire all utenza, oppure convogliato verso la centrale di raccolta. Solitamente tali linee rispettano configurazioni standard (o una composizione di queste). Il dimensionamento delle linee di distribuzione avviene attraverso un compromesso tra le perdite dovute al trasferimento del servizio, il quale dipende dalla quantità di servizio richiesta dai vari rami della rete, e l aspetto economico. 3. Il collegamento servizio-utenza: è l interfaccia attraverso la quale il servizio viene somministrato o prelevato dall utenza. 6

7 Figura 1. Impianto di servizio. 1.3 Progettazione La progettazione di un impianto di servizio si articola nelle seguenti fasi: individuazione delle esigenze delle utenze da servire e delle caratteristiche qualitative e quantitative del servizio (ubicazione, tipologia, capacità e altri parametri importanti imposti come vincoli nella progettazione di un impianto). valutazione tecnico-economica delle possibili alternative di realizzazione del servizio e scelta della soluzione ottimale ( progetto di massima dell'impianto). individuazione, dimensionamento e caratterizzazione dei vari componenti dell'impianto (progetto di dettaglio). verifiche di conformità a norme tecniche e vincoli di sicurezza ed igiene del lavoro. eventuale standardizzazione di materiali e componenti, allo scopo di ridurre il costo complessivo dell impianto. realizzazione del progetto esecutivo. 7

8 CAPITOLO 2. ARIA COMPRESSA 2.1 Nozioni generali L'utilizzo dell'aria compressa in ambito industriale è andato via via sempre più diffondendosi trovando un'ampia applicazione negli impianti soprattutto nell'attuale periodo. Si può infatti trovare un impianto dedicato a questa tecnologia in quasi tutti gli stabilimenti, in quanto tale forma di energia viene sfruttata per varie esigenze come comando e regolazione di utenze ma anche come forza motrice nelle macchine utensili o in altre tipologie di macchine, e infine si può trovare impiegata come servocomando di utensili (Tabella 1). Industria Alimentare Tessile Abbigliamento Del legno Forniture Cartiera Chimica Petrolifera Esempi d'uso dell'aria compressa Disidratazione,imbottigliamento,controlli e attuatori,trasporto,rivestimento spray,pulizia,confezionamento sottovuoto Agitazione liquidi,serraggio,trasporto,controlli ed attuatori,macchine automatizzate,telaio per tessitura,filatura Trasporto,serraggio,potenza strumentale,controlli ed attuatori,macchine automatizzate Taglio,sollevamento,serraggio,trattamenti presurizzati,controlli ed attuatori Potenza pneumatica,serraggio,rivestimento spray,controlli ed attuatori Trasporto,controlli ed attuatori Trasporto,controlli ed attuatori Processi di compressione di gas,controlli ed attuatori 8

9 Gomma e plastica Pietra,argilla e vetro Metalli primari Fabbricazione metalli Potenza pneumatica(stampi delle presse,strumenti...),serraggio,controlli ed attuatori,formatura,stampaggio ad iniezione Trasporto,miscelazione,controlli ed attuatori,soffiaggio,stampaggio,raffeddamento Fusione sottovuoto,controlli ed attuatori,sollevamento Potenza(postazioni di assemblaggio,strumentale),controlli ed attuatori,stampaggio ad iniezione,rivestimento spray Tabella 1. Esempi di vari utilizzi dell'aria compressa. La produzione di aria compressa è ottenuta attraverso i compressori, i quali aspirano aria atmosferica, la comprimono fino alla pressione necessaria e la immettono nella rete di distribuzione, per mezzo della quale l'aria arriva alle varie utenze. I compressori e le diverse apparecchiature occorrenti per la produzione dell'aria compressa sono, di norma, raggruppati in un locale apposito, possibilmente isolato acusticamente ed a collegamento diretto con l'ambiente esterno, da cui deve essere prelevata l'aria da comprimere. La portata dei compressori è misurata in volume di aria libera per unità di tempo, ossia in quantità d'aria resa in mandata, nell'unità di tempo prestabilita, riportata allo stato fisico di aspirazione. La pressione di esercizio dell'aria per le normali utenze tecnologiche degli stabilimenti industriali è nella maggior parte dei casi di 6-7 bar; in base alle esigenze delle utenze possono inoltre verificarsi frequenti richieste di aria a pressioni superiori od inferiori a tali valori: ad esempio bar nel caso di avviamento di motori diesel o macchine per soffiare anime, 3-4 bar per lavori ausiliari in officine meccaniche e impianti di trasporto pneumatico. Nella progettazione di un impianto ad aria compressa il principio chiave da considerare è la produzione di una portata richiesta al minor costo possibile. Poiché tale motivazione si spiega in quanto l'installazione di un impianto di questo tipo (come tutti i tipi di impianti di 9

10 trasmissione) necessitano di un investimento di capitale consistente, insieme a dei conseguenti costi di servizio e di manutenzione. 2.2 Aspetti tecnici I parametri tecnici da tenere in considerazione nella progettazione di un nuovo impianto sono: Grado di centralizzazione/frazionamento; Pressione necessaria; Portata; Fattore d'uso; Espansione futura; Riduzione per le perdite dell'aria; Centralizzazione-Frazionamento I servizi sono caratterizzati da un punto di generazione o raccolta e da un certo numero di utenze, ciascuna delle quali con un proprio profilo temporale di richieste. Dal punto di vista progettuale una delle prime decisioni da prendere è la scelta dell'organizzazione della distribuzione del servizio. A tale scopo possono essere distinte due differenti modalità: Centralizzare il sistema di generazione del servizio (Figura 2) _ Significa utilizzare un solo compressore con una rete di distribuzione più estesa. Questa scelta porterà vantaggi come: possibilità di installare una minore capacità di compressione totale (con conseguenti minori costi iniziali), maggior efficienza e quindi minor costi di alimentazione (in quanto si hanno unità più grandi) e infine costi di manutenzione più contenuti. 10

11 Figura 2. Centralizzazione di un impianto. Frazionare il sistema di generazione del servizio (Figura 3) _ Ogni utenza o gruppo di utenze sono dotate di un proprio generatore. La rete di distribuzione è meno estesa (si ha così un utilizzo di tubi più piccoli con conseguente riduzione delle perdite e dei costi. I parametri dell'aria compressa possono essere adattati alle particolari esigenze di ogni utenza ed inoltre i compressori o componenti dell'impianto potrebbero essere fermati durante i periodi di bassa domanda o per manutenzione preventiva solo con effetti locali. 11

12 Figura 3. Frazionamento di un impianto. Molto importante quindi sarà la scelta sul grado di centralizzazione che deve tener conto,oltre che alle caratteristiche economiche, anche degli aspetti tecnici Pressione necessaria Un vincolo importante da tenere in considerazione per la progettazione di un impianto è la pressione necessaria richiesta dalle utenze. Nella scelta del compressore da utilizzare si deve tenere in considerazione questo parametro col fine di ottimizzare e compensare le perdite lungo la linea di distribuzione dell'aria. A titolo di esempio per gli impianti ad aria compressa che operano a 6 bar si utilizzeranno di norma compressori che producono aria ad una pressione di 7 bar, per compensare appunto le perdite lungo la rete. Si può presentare anche l'esigenza di avere una parte della portata dell'aria prodotta dal compressore da utilizzare a bassa pressione. In questo caso la pressione viene ridotta attraverso un regolatore di pressione direttamente sulla linea d'utilizzo richiesta. Per quanto riguarda l'impianto dell'aria, esso viene dimensionato interamente alla massima pressione d'uscita del compressore, oppure vengono prese opportune precauzioni nel caso in cui esso sia dimensionato per una pressione minore, per evitare che venga sottoposto ad una eccessiva pressione. 12

13 Nel caso in cui ci sia una richiesta specifica di un elevato volume d'aria ad alta o bassa pressione si può pensare di installare un compressore dedicato per servire questa utenza, poiché può risultare una scelta più vantaggiosa dal punto di vista economico Portata La capacità totale dell'impianto dovrebbe essere idealmente calcolata sull'esatta conoscenza delle richieste di progetto, date dall'insieme delle quantità necessarie per tutte le utenze da servire. Nelle realtà però se si sottostima la capacità totale, l'impianto risulterà troppo piccolo e non sufficiente per fornire la pressione richiesta nell'impianto. Al contrario, se la sovrastimiamo, avremo un eccessivo capitale investito. Tuttavia risulta essere più sicuro approssimare con una piccola sovrastima, in quanto nella maggior parte dei casi la richiesta di aria compressa probabilmente aumenterà e saturerà l'eccesso di capacità Fattori d uso Prima di decidere la capacità del compressore richiesto è necessario calcolare il consumo d'aria necessario, tenendo sempre conto delle esigenze delle varie utenze. A tale scopo si stimano i "fattori d'uso" per i vari particolari dell'impianto attraverso tabelle da manuale (Tabella 2). Apparecchio Consumo Fattore d'uso Apparecchio Consumo Fattore d'uso Avvitatori diritti: -per viti M10 -per viti M Rettificatrici: -diametro mola 8 mm -diametro mola 15mm diametro mola 20mm

14 -diametro mola 25mm -diametro mola 35mm Avvitatori a pistola: -per viti M5 -per viti M6 -per viti M8 -per viti M Cesoie: -spess. alluminio 2.5mm -spess. alluminio 4.5mm Avvitatori ad impulso: -per viti M Roditrici: -spess. alluminio 2mm per viti M16 -per viti M18 -per viti M24 -per viti M36 Trapani per fori in acciaio: -diametro 6mm Seghe: -spess. alluminio 3mm -spess. alluminio 15mm diametro 12mm -diametro 19mm spess. alluminio 40mm 160 -diametro 23mm 80 -diametro 30mm 96 -diametro 32mm Motori pneumatici: Scalpellatori: -leggeri

15 -kw medi 20 -kw pesanti 35 -kw kw kw kw Maschiatrici per fori: 0.2 Ribaditori per rivetti: 0.5 M5-M8 20 Smerigliatrici radiali: -diametro 16mm -diametro 20mm 0.3 Martelli schiodatori diametro mola 80mm 50 -diametro mola 100mm 120 -diametro mola 125mm 130 -diametro mola 150mm 195 Smerigliatrici verticali: 0.3 Martelli sterratori: 0.8 -diametro mola 130mm -diametro mola 200mm -diametro mola 230mm utensile diametro 60mm -utensile diametro 75mm Perforatrici pesanti Pestelli

16 Vibratori per calcestruzzo Sabbiatrici: -diametro ugello 5mm -diametro ugello 6mm -diametro ugello 8mm Pistole di soffiaggio: -diametro ugello 1mm -diametro ugello 2mm -diametro ugello 3mm Pistole per verniciatura Cacciaviti Tabella 2. Fattori d'uso per vari strumenti Espansione futura Eventuali espansioni future dell'impianto possono essere tenute in considerazione all'atto della progettazione, tenendo presente che un eventuale incremento della capacità del compressore non risulta un problema se il resto dell'impianto è adatto alla modifica Riduzione perdite d aria L'esperienza ha evidenziato come la capacità totale del compressore stimata deve tenere conto della riduzione di portata causata dalle perdite. 16

17 Le perdite lungo i condotti dell'impianto possono essere limitate attraverso un'accurata installazione delle tubazioni, anche se gran parte delle perdite si localizza nei manicotti, negli agganciamenti e nelle valvole. 2.3 Aspetti economici Nella progettazione di un impianto un aspetto molto importante da tenere in considerazione oltre a quello tecnico è l'aspetto economico. La produzione di aria compressa è intensiva dal punto di vista energetico, e per le maggior parte delle operazioni industriali la frazione del costo dell'energia dell'aria compressa è significativa se confrontata con il costo delle altre fonti di energia (Figura 4). Figura 4. Costi generali di varie forme di energia. A causa di questo costo molto elevato rispetto alle altre forme di energia, l'aria compressa dovrebbe essere usata solo se risultassero netti miglioramenti della sicurezza, significativi utili della produttività o riduzione del lavoro visto il costo elevato. I costi annuali delle operazioni con aria compressa, tenendo conto di essiccatori e tutto l'equipaggiamento di supporto, possono ammontare dal 70 al 90% della fattura del costo totale dell'energia elettrica. L'aria compressa è probabilmente la forma di energia più costosa della fabbrica,perché solo il 19% della sua potenza è utilizzabile. 17

18 I due più importanti fattori che influenzano il costo dell'aria compressa sono il tipo di controllo del compressore e le dimensioni del compressore stesso. Compressore sovradimensionati e compressori che operano in modalità di controllo inefficienti hanno i consumi di energia più elevati, oltre ai costi annuali più alti di utilizzo. I parametri da tenere in considerazione: Costi di impianto e costi d esercizio; Economie/diseconomie di dimensione; Variabilità delle richieste delle utenze; Elasticità del generatore; Sicurezza di funzionamento; Cumulabilità del servizio Costi di impianto e costi di esercizio I costi di impianto sono fissi e ripartiti su quota annuale attraverso vari metodi, mentre i costi di esercizio sono variabili. Come per gli impianti di produzione l aumento dei costi variabili implica la diminuzione dei costi di esercizio e viceversa, è quindi necessario trovare il valore del parametro caratterizzante il servizio ottimale Economie/diseconomie di dimensione L andamento del costo di impianto rispetto alla sua dimensione aumenta meno che linearmente. Questo avviene perché si sfruttano le economie di scala e considera sia i costi di impianto che i costi di esercizio. L andamento che interpreta il legame tra il costi di acquisto di un impianto e la sua potenzialità è generalmente logaritmico (Figura 5) ed è interpretato dalla seguente legge (1): (1) 18

19 Figura 5. Grafico dell'andamento dei costi. dove con e si fa riferimento al costo e alla potenzialità dell impianto campione ed m rappresenta il fattore di scala compreso tra 0 e 1. Per quanto riguarda invece i costi di esercizio, anch'essi sono meno che proporzionali alla potenzialità dell impianto, e la stessa legge vale anche per i costi del lavoro ed i costi di energia. Soprattutto i costi energetici sono fortemente dipendenti da eventuali miglioramenti nel settore, con conseguenti migliori rendimenti. Si può notare come l economie di dimensione porterebbero all accentramento del sistema. Ma si può riscontrare anche l esistenza anche di diseconomie di dimensione. Concettualmente è l opposto rispetto a prima; tale fenomeno è dovuto alla ripartizione dei costi di impianto tra generatore, linee di distribuzione e organi di erogazione all utenza e alla presenza di costi di esercizio dovuti ad eventuali perdite di distribuzione. Al crescere della dimensione dell unità responsabile dell erogazione del servizio aumentano sia i costi di impianto (aumentano le distanze alle quali il servizio va distribuito), sia i costi di esercizio (aumentano le perdite). Tale fenomeno porterebbe quindi alla decentralizzazione del servizio Variabilità delle richieste delle utenze La quantità di potenza che l'impianto dovrà erogare non sarà in ogni istante di tempo costante,ma avrà una certa variabilità. Le utenze avranno una modalità di richiesta del servizio che può essere rappresentata attraverso un diagramma temporale che riporta in ascissa il tempo ed in ordinata la quantità 19

20 di servizio richiesta nell unità di tempo. Spesso in tali diagrammi è possibile riscontrare una certa periodicità T. Fissato con T il tempo ciclico, è possibile calcolare la potenza media e la potenza massima come segue: Questo aspetto tenderebbe a porsi a favore della centralizzazione del servizio Elasticità del generatore L elasticità nell erogazione di un servizio è la capacità di variare i livelli produttivi di quel servizio pur avendo un fissato generatore, senza sensibili aggravi nei costi unitari di produzione. L elasticità dipende dalla ripartizione del costo di servizio tra parte fissa e parte variabile. Nel caso in cui la parte variabile sia piccola, allora l impianto sarà fortemente elastico, viceversa sarà molto rigido nel caso in cui la componente variabile sia invece importante. L elasticità è un aspetto maggiormente soddisfatto in caso di decentralizzazione del servizio Sicurezza di funzionamento Il grado di sicurezza di funzionamento dipende dall entità dei costi di disservizio rispetto ai costi di impianto, dagli eventuali rischi per cose e persone connessi alla mancanza di servizio e dalla normative vigenti. Come l elasticità, anche la sicurezza di funzionamento si sposa bene con la decentralizzazione del servizio Cumulabilità del servizio In particolari condizioni tecniche ed economiche, il servizio risulta accumulabile. In questo caso risulta conveniente disaccoppiare l erogazione del servizio con il consumo stesso. È possibile fare ciò grazie all utilizzo di un accumulatore polmone. La possibilità di accumulare il servizio è a favore della centralizzazione del servizio stesso. 20

21 CAPITOLO 3.PRODUZIONE DELL'ARIA COMPRESSA 3.1 Scelta dei compressori I compressori sono dispositivi in grado di aumentare la pressione di un gas, quindi macchine atte a produrre aria compressa. Fra le caratteristiche dei compressori sono da evidenziare: il rapporto di compressione dato dal rapporto tra la pressione assoluta di mandata e la pressione assoluta di aspirazione ed è indicato con : la portata teorica data dal prodotto della cilindrata(area del pistone per la sua corsa)per il numero di giri al minuto dell albero motore e può essere espressa in o. la portata effettiva la cui massima dipendenza è data dal coefficiente di riempimento del cilindro(rendimento volumetrico). Essa è la portata che realmente il compressore fornisce e viene espressa come indicato per la portata teorica. la pressione che va distinta in: 1. Pressione d esercizio, con cui si intende la pressione dell aria nel serbatoio che dovrà alimentare le tubazioni della rete di distribuzione e che normalmente è fissata in un campo che va da 0.7 a 1.4 (7-14 ); 2. Pressione di lavoro, ovvero la pressione necessaria alla utilizzazione che normalmente assume un valore di 0.6 (6 ) essendo tale la pressione richiesta per il funzionamento dei componenti pneumatici. La pressione di lavoro non è il parametro da tener conto nella scelta del compressore, come all utilizzatore non interessa la portata teorica, bensì quella effettiva che può essere influenzata dalle condizioni di aspirazione aria. La scelta dei tipi di compressori da adottare dipende dalle considerazioni di carattere tecnico ed economico che sono state esposte precedentemente (Tabella 3). 21

22 Tipi di compressori Pressioni [ ] Portate [ ] Monostadio 7-10 Alternativi <20 Multistadio >20 A palette 2-10 <100 Lubrificati monostadio Lubrificati bistadio A vite A secco monostadio A secco multistadio Monostadio Roots Bistadio 3-13 <20 < <1 <2.5 <70 <100 <100 <300 A elicoidi <10 <1 Radiali <22 <1000 Dinamici Assiali <5 <8000 Tabella 3. Vari tipi di compressore con relativi rapporti di compressione e portate. Le varie tipologie di compressori hanno dei campi di applicazione abbastanza specifici in base alle loro prestazioni in termini di pressione e portata(figura 6). 22

23 Figura 6. Campi di utilizzo delle varie tipologie di compressori. Altri parametri di valutazione,per gestire la scelta nei campi dove possiamo utilizzare più tipi di compressore,sono: l'affidabilità, l'ingombro, le caratteristiche dei basamenti, la qualità dell'aria compressa( presenza di olio o altri inquinanti), la flessibilità di esercizio, i costi dell'aria compressa. Il costo dell'energia consumata in un impianto di compressione incide notevolmente sul bilancio di gestione dell'impianto stesso. Per ridurre questo costo occorre quindi scegliere il sistema di compressione che a parità di caratteristiche dell'aria prodotta comporti il minimo assorbimento di energia(figura 7). Il consumo specifico di energia è espresso in per di aria libera aspirata; esso dipende essenzialmente dalla possibilità di influenzare il ciclo termodinamico di compressione asportando calore, in modo da avvicinarsi alla compressione isotermica. Valori di consumo specifico di 5 sono molto bassi e si possono ottenere con compressori di media e grande portata, impiegando acqua di raffreddamento con una temperatura inferiore di 10 rispetto alla temperatura ambiente. 23

24 Nel caso di compressore rotativo monostadio ad iniezione d'olio, l'efficacia dello scambio termico aria-olio incide profondamente sul risultato finale, e inoltre in tali compressori a vite o a palette è importante anche la velocità di rotazione generalmente compresa fra 1000 e Infine bisogna considerare come il compressore raffreddato ad aria è in genere meno efficace del 3 5% di quello ad acqua. Specialmente nel caso di compressori di media e grande portata, il consumo di energia è minore nella tipologia bistadio rispetto a quella monostadio (nel comprimere aria atmosferica a 7,un compressore monostadio consuma il 15% rispetto ad uno bistadio). Per quanto riguarda l'energia elettrica assorbita a vuoto rispetto a quella assorbita a pieno carico, si può affermare che per portate d'aria nulle o quasi nulle,i compressori a stantuffo assorbono il 7 12% dell'energia occorrente a pieno carico,i compressori rotativi richiedono il 12 15% e i turbocompressori il 15 17%. Figura 7. Consumi di energia per le varie tipologie di compressore. 3.2 Tipi di compressori I compressori d'aria possono essere suddivisi in due categorie principali (Figura 8): volumetrici e dinamici o turbocompressori. 24

25 Nei compressori volumetrici l'aria viene aspirata in una camera di compressione, la cui luce di aspirazione viene successivamente chiusa. Diminuendo il volume della camera si provoca la compressione dell'aria: quando la pressione nella camera ha raggiunto il valore prestabilito, si apre una valvola e l'aria contenuta nella camera di compressione è libera di fuoriuscire. Nei compressori dinamici una girante fornisce all'aria energia cinetica che viene successivamente convertita in energia di pressione. Figura 8. Vari tipi di compressore. 3.3 Compressori volumetrici Alternativi o a stantuffo Un compressore a stantuffo (Figura 9) è costituito nella sua configurazione più semplice da un cilindro dotato di valvole di aspirazione e di mandata, nel quale scorre uno stantuffo, avente un movimento alternato, comandato da un sistema biella-manovella oppure da un eccentrico e punteria. Compressori alternativi possono essere costituiti da uno o più stantuffi ed a uno o più stadi. 25

26 Gli stantuffi possono essere a semplice o duplice effetto (entrambe le facce dello stantuffo sono attive). La disposizione dei cilindri è ad asse verticale od orizzontale nel caso di un unico stantuffo, a V, W, X nel caso di più stantuffi; talvolta si possono trovare cilindri fra loro contrapposti. I compressori alternativi sono in generale impiegati per portate molto basse(di solito e comunque non oltre 20 ) e per pressioni di 7-10 ; quando la pressione richiesta supera i 20 si devono adottare compressori alternativi multistadio. I compressori alternativi hanno normalmente stantuffi lubrificati, con lo svantaggio che l'aria compressa contiene in sospensione particelle di olio: essi pertanto non sono adatti per utenze richiedenti aria "pulita". Sono però disponibili compressori alternativi non lubrificati (detti anche "a secco"), nei quali i tradizionali anelli di tenuta metallici(che necessitano di lubrificazione) fra stantuffo e cilindro sono sostituiti da anelli in teflon o in grafite oppure da dispositivi a labirinto. Figura 9. Compressore a stantuffo Rotativi a palette Il funzionamento di questi compressori può essere così schematizzato (Figura 10): un rotore, montato eccentricamente rispetto all'asse di un cilindro fisso, è munito di un certo 26

27 numero di palette scorrevoli entro scanalature radiali ottenute nel rotore stesso. Quando il rotore gira, le palette, per effetto della forza centrifuga, seguono il profilo interno dello statore e formano delle celle il cui volume varia progressivamente (a causa della posizione eccentrica del rotore) determinando la compressione graduale dell'aria. Le stesse palette funzionano da valvole allorché passano in corrispondenza delle luci ricavate nelle pareti dello statore. I compressori rotativi a palette sono di solito impiegati per pressioni di esercizio da 2 a 10. Il loro rendimento è inferiore ad un equivalente compressore a pistone a 2 o più stadi, ma migliora con l'iniezione intensiva di olio prevista nei compressori che comprimono l'aria a La portata massima in aria aspirata dei compressori rotativi a palette è di solito inferiore a 100. La regolazione della portata è generalmente ottenuta con una valvola "a tutto o niente", che strozza completamente l'aspirazione quando la pressione di mandata supera il valore richiesto: in questa fase il compressore funziona a vuoto. Per assicurare il raffreddamento, la tenuta e la lubrificazione delle parti in movimento si introduce nel cilindro dell'olio lubrificante. Buona parte di tale olio è trattenuta(per essere rimessa in ciclo) da un apposito separatore, generalmente incorporato nel compressore;la parte restante fuoriesce dal compressore sotto forma di particelle in sospensione e miscelata all'aria compressa. Il consumo di olio varia da 0.10 a 0.15 per di aria aspirata nei compressori a bassa pressione con lubrificazione a perdere. Nei compressori per pressioni finali di 7-10 si realizza un circuito di disoleazione con recupero automatico dell'olio separato. L'utilizzo di cartucce filtranti a fibre di borosilicato consente di ridurre il consumo di olio fino a valori di circa Il residuo di olio è indicato in ppm in peso: poiché 1 di aria pesa=1.3,1 di olio rappresenta L'aria erogata dai compressori a media pressione ad iniezione di olio contiene un residuo di olio compreso fra 1 e 5. I compressori a 7-10 e portata superiore a 20 sono generalmente raffreddati ad acqua,in quanto lo smaltimento del calore generato sarebbe problematico e costoso con radiatori raffreddati ad aria. 27

28 Il fabbisogno di acqua di raffreddamento alla temperatura di 15 varia da 2 a 3,5 litri per di aria aspirata. Figura 10. Compressore a palette Rotativi a viti I compressori a viti sono costituiti da due rotori, uno con lobi convessi e l'altro con lobi concavi, ruotanti in senso opposto dentro uno statore (Figura 11). L'aria viene aspirata attraverso la luce di immissione nello spazio che si forma fra i lobi dei due rotori; con il procedere della rotazione,lo spazio in cui essa è contenuta viene dapprima isolato dalla luce di immissione, quindi ridotto di volume dando inizio ad una compressione graduale più o meno pronunciata a seconda del rapporto di compressione da realizzare(più pronunciata per più elevati,per ridurre la potenza assorbita). Terminata la compressione graduale l'aria viene spinta verso la luce di uscita e quindi scaricata. Esistono due tipologie di compressori a vite:quelli lubrificati e quelli non lubrificati o a secco. La prima categoria realizza cicli di compressione monostadio(raggiungendo pressioni fino a 13 ) e bistadio (per pressioni fino a 20 ) e la portata d'aria è inferiore ai

29 Uno dei due rotori, quello a lobi concavi, è collegato al motore elettrico generalmente tramite un moltiplicatore di giri a cinghie o ad ingranaggi e trascina il secondo rotore. L'olio-iniettato nella camera di compressione- assicura la lubrificazione ma con l'esercizio può verificarsi un'usura analoga a quella che si riscontra sui normali ingranaggi. L'olio che si miscela con l'aria durante la compressione è poi separato in un apposito separatore, dove si sommano gli effetti della forza centrifuga e di un filtro:il contenuto residuo d'olio nell'aria compressa si aggira intorno ai 3 di aria. I compressori non lubrificati realizzano la compressione senza immissione di olio e pertanto necessitano di una coppia di ingranaggi per sincronizzare il moto fra i due rotori. Essi presentano profili elicoidali e ruotano senza contatti reciproci, limitando così l'usura e la perdita di potenza per attrito. Le tolleranze devono essere molto ridotte per ottenere un funzionamento efficiente, quindi la costruzione di questo tipo di compressore richiede elevata precisione. Inoltre la compressione oltre i 4 non può essere effettuata in un unico stadio in quanto le temperature raggiunte sarebbero troppo elevate, con dilatazioni dei materiali tali da impedire un corretto funzionamento. Per contro, l'assenza di contatti permette di realizzare una macchina in cui le parti lambite dall'aria non necessitano di lubrificazione e quindi l'aria compressa risulta priva d'olio, requisito assai importante per molte applicazioni. Le portate d'aria arrivano fino a 100 si ricorre di solito a compressori dinamici. Nei compressori a viti la regolazione della portata, cioè della quantità d'aria compressa erogata dal compressore, è normalmente ottenuta per mezzo di una valvola che parzializza la luce di aspirazione. Compressori di questo tipo hanno poche parti soggette a usura,non richiedono basamenti e producono rumori e vibrazioni meno elevati di altri compressori. 29

30 Figura 11. Compressore rotativo a viti Rotativi Roots Il compressore Roots (Figura 12), detto anche soffiante, consiste in uno statore in cui sono alloggiati due rotori controrotanti, dotati di due e tre lobi ciascuno. In tal caso l'aria è spinta dai lobi verso la mandata dove subisce un repentino aumento di pressione. In altre parole la compressione non avviene grazie a una progressiva riduzione del volume prima del collegamento con i condotti di mandata, ma per reflusso dell'aria del compressore,con risultati di rendimento molto modesti. Le soffianti Roots non sono utilizzabili per pressioni di esercizio elevate (il limite si aggira intorno a 1 nei tipi monostadio e a 2,5 nei tipi a due stadi). Il movimento dei due rotori è sincronizzato per mezzo di ingranaggi in modo da non avere contatto tra i rotori o tra i rotori e la carcassa. Queste parti pertanto non richiedono lubrificazione e di conseguenza, in analogia ai compressori a viti, l'aria compressa è priva d'olio. I compressori Roots sono in genere raffreddati ad aria. 30

31 Figura 12. Compressore rotativo Roots Rotativi ad anello liquido In uno statore di forma ellittica è montato un rotore con palette fisse che trascina in rotazione un liquido (in genere acqua) e lo proietta per forza centrifuga contro la parete dello statore,dando forma ad un vero e proprio anello rotante. Poiché lo statore ha forma ellittica, il liquido assume un movimento tale da variare periodicamente il volume del vano compreso fra paletta e paletta, comprimendo l'aria in esso contenuta. La distribuzione avviene attraverso luci previste nelle testate dello statore oppure in cavità praticate nell'albero del rotore: l'aria affluisce fra le palette,viene compressa e quindi espulsa quando il rotore nella sua rotazione supera la zona di compressione. Per ogni giro del rotore si ottengono due cicli di compressione. L'aria da comprimere viene a diretto contatto con il liquido contenuto nella macchina e poiché la velocità di rotazione è relativamente alta, una certa quantità di liquido si mescola inevitabilmente con l'aria compressa. Pertanto il compressore deve essere munito di un filtro separatore sul lato mandata e di un dispositivo per mantenere costante il livello del liquido nella camera di compressione. La regolazione è sovente ottenuta per laminazione all'aspirazione, eventualmente accoppiata con un reflusso tra mandata e aspirazione. 31

32 I compressori ad anello liquido sono ormai impiegati solo per le basse pressioni o per applicazioni particolari Rotativi a elicoidi orbitanti Per questa tipologia di macchine, la compressione dell'aria è ottenuta per interazione di due elementi a spirale, uno fisso e l'altro con movimento orbitale. Il moto del rotore provoca una progressiva compressione dell'aria in quanto riduce il volume della camera di compressione. L aria entra alla pressione atmosferica nella camera di compressione attraverso una luce che si trova sul lato esterno del rotore. Una volta che l aria è stata aspirata, il rotore orbitante chiude la luce di aspirazione. Un flusso continuo di aria compressa esce dal rotore a spirale passando attraverso la luce di mandata che si trova nel centro della spirale fissa. Questo processo di compressione viene ripetuto all infinito, generando una mandata di aria compressa priva di pulsazioni e ovviamente di olio. I compressori a elicoidi orbitanti sono adatti alla produzione di piccole portate d aria (<1 ) e per pressioni massime di Compressori dinamici o turbocompressori Nei compressori dinamici l aria aspirata viene portata ad elevata velocità in una o più giranti dotate di palette, successivamente scaricata in un diffusore avente il compito di trasformare in energia di pressione la maggior parte dell energia cinetica acquisita dall aria. I turbocompressori si suddividono in radiali o centrifughi (Figura 13) e assiali (Figura 14) i primi sono caratterizzati da traiettorie dell aria pressoché normali all albero della girante; i secondi da traiettorie all incirca parallele all albero stesso. 32

33 Figura 13. Compressore centrifugo radiale. Figura 14. Compressore assiale. Possono essere inoltre a uno o più stadi, mentre l azionamento è affidato a motori elettrici e turbine a gas o a vapore direttamente accoppiate all albero. Al fine di mantenere costante la pressione di alimentazione al variare dei consumi, si ricorre solitamente alla seguente soluzione: al diminuire della richiesta di aria un controllore di pressione chiude gradualmente la valvola di aspirazione. Oltre una certa 33

34 parzializzazione entra in funzione una valvola che scarica nell atmosfera l eccesso di aria, al fine di evitare il noto fenomeno del pompaggio. I compressori centrifughi sono impiegati per portate variabili da 20 ad oltre I compressori assiali sono adatti per portate superiori, fino a circa I turbocompressori trovano applicazione oltre che in campo industriale anche nelle turbine a gas. I centrifughi, inoltre sono impiegati per i trasporti pneumatici. Particolari versioni degli assiali (basse prevalenze ed elevate portate) sono realizzate per l aerazione di bacini di trattamento biologico delle acque di scarico cloacali e sono correntemente denominate aeratori a turbina. Si deve però rilevare che i turbocompressori hanno un consumo di olio pressoché trascurabile, in quanto l olio viene usato esclusivamente per ridurre l attrito degli organi meccanici e non viene a contatto con l aria ( pertanto non è da esso inquinata). 34

35 CAPITOLO 4.RAFFREDAMENTO E STOCCAGGIO DELL'ARIA COMPRESSA 4.1 Refrigeratori finali Nel processo di compressione la temperatura dell'aria aumenta con conseguente aumento della capacità di assorbimento di vapor d'acqua da parte di essa,infatti l'aria compressa che entra nella rete dopo il compressore è satura. Se l'aria calda ad alta temperatura viene immessa direttamente nella rete di distribuzione senza essere raffreddata, questa lungo il percorso si raffredda: il punto di saturazione a sua volta diminuisce, ed il vapor d'acqua comincia a condensare anche in quantità considerevoli dentro le tubazioni, attivando fino alle varie utenze e alle strumentazioni. Si deve cercare quindi di eliminare la maggior quantità di acqua possibile prima che l'aria venga immessa nella rete di distribuzione. Per fare ciò l'aria può essere raffreddata in appositi apparecchi chiamati refrigeratori finali (Figura 15), i quali vengono installati tra il compressore e il serbatoio dell'aria compressa. In tali apparecchiature il raffreddamento dell'aria è ottenuto immettendo la stessa in un fascio di tubi lambiti esternamente da acqua alla minima temperatura possibile. L'acqua di condensa si raccoglie in un apposito separatore e viene in seguito scaricata in fognatura. In genere il refrigeratore finale è dimensionato in modo tale che la temperatura in uscita risulti di 8-10 superiore alla temperatura del fluido refrigerante a disposizione. I refrigeratori possono essere: a circolazione d'acqua a circolazione d'aria. 35

36 Figura 15. Esempio di refrigeratore finale. 4.2 Serbatoi dell'aria compressa Di norma, a valle del refrigeratore finale, è previsto inoltre un serbatoio (Figura 16) avente le seguenti funzioni: a) di accumulatore, per assicurare alla rete una portata d'aria e una pressione all'incirca costanti nel tempo, limitando gli interventi per la regolazione di portata dei compressori nel caso di una richiesta maggiore della potenzialità del compressore; b) interrompere il funzionamento del motore del compressore per tempi che dipendono dall'andamento dei consumi di aria compressa, realizzando così risparmi di energia tutt'altro che trascurabili (fino al 15 16% per pressioni di 7 8 ); c) favorire una sia pur limitata separazione di condensa, grazie al fatto che l'ingresso dell'aria compressa avviene nella parte bassa del serbatoio, mentre l'uscita è posizionata nella parte alta. I serbatoi se possibile vengono collocati all'aperto così da avere una temperatura inferiore per facilitare la condensazione. Per determinare le dimensioni del serbatoio occorre fare alcune considerazioni sulle prestazioni sul sistema di regolazione dei compressori. 36

37 Il ciclo di regolazione non deve essere troppo breve per non provocare un'eccessiva usura di diversi organi del compressore stesso, del motore e delle apparecchiature elettriche. Per compressori con pressioni di lavoro massime di 10 e portate da 1 a 100,la capacità del serbatoio, espressa in unità di volume ( ), deve essere compresa fra 6 e 2 decimi della portata volumetrica del compressore espressa nelle stesse unità di volume( ) e riferita al minuto: 0.6 per impianti piccoli, fino a 0.2 per impianti grandi. La regolazione può avvenire per mezzo di una valvola di by-pass: in tale modo, il motore funziona in continuazione,parte a carico e parte a vuoto. E' opportuno fare in modo che la valvola non intervenga a tempi troppo ravvicinati con un idoneo proporzionamento dell'intero impianto (potenzialità e numero dei compressori,capacità del serbatoio e della rete,variazione di pressione prestabilita). La differenza fra le pressioni di funzionamento a vuoto e sotto carico non deve esse normalmente inferiore a 0.4. Nel caso invece di avviamento ed arresto automatico del motore comandato dalla stessa pressione dell'aria, è necessario installare un serbatoio di maggiore capacità. Con questo sistema di regolazione infatti un serbatoio sottodimensionato può essere causa di avviamenti troppo frequenti, il che torna non solo a scapito dei contatti dell'apparecchiatura, ma anche degli avvolgimenti del motore. Una serie di avviamenti troppo frequenti crea inoltre dei sovraccarichi nelle rete di alimentazione. Il criterio di valutazione della capacità (minima) del serbatoio dell'aria sopra indicato si riferisce al caso di un solo compressore funzionante o di un compressore avente una portata prevalente su quella di altri compressori anch'essi funzionanti. Nel caso si abbiano compressori dello steso tipo in parallelo bisogna tenere in considerazione che è buona norma aumentare la capacità del 30%. 37

38 Figura 16. Serbatoio dell'aria compressa. 38

39 CAPITOLO 5. ESSICAZIONE DELL'ARIA COMPRESSA 5.1 Nozioni generali L'aria compressa atmosferica è una miscela di gas vari e di vapor d'acqua chiamata aria umida. Il vapore contenuto nell'aria umida può essere saturo o surriscaldato. Per tale miscela vale la legge di Dalton ovvero che la pressione di una miscela di due o più aeriformi è la somma delle pressioni che ciascun componente eserciterebbe se occupasse da solo l'intero spazio interessato dalla miscela stessa. Le proprietà fisiche degli aeriformi sono riassunte dalle curve isotermiche o isoterme, riportare su un diagramma cartesiano di coordinate p-v. Le isoterme si suddividono in due classi: isoterme caratterizzate da un tratto rettilineo orizzontale(le temperature corrispondenti sono inferiori alla temperatura Tc dell'isoterma con flesso,detta isoterma critica); isoterme senza tratto rettilineo orizzontale(le temperature corrispondenti sono superiori alla temperatura critica Tc); Lungo il tratto rettilineo orizzontale di una isoterma con temperatura minore della temperatura critica, il volume del fluido varia senza una corrispondente variazione di pressione. In tale condizione si ha: l'aeriforme è in presenza del suo liquido ed in equilibro con esso, cioè possono coesistere in equilibrio fase gassosa e fase liquida; avviene l'evaporazione del liquido se l'isoterma è percorsa nel senso dei volumi crescenti; avviene la condensazione (o liquefazione) del vapore se l'isoterma è percorsa in senso opposto. Per l'acqua ad esempio la temperatura dell'isoterma critica è +365 punto C è 200,5. e la pressione nel 39

40 Per l'azoto, la temperatura e la pressione nel punto C risultano essere rispettivamente - 147,1 e 33,5. Tutti i punti della curva limite inferiore rappresentano stati del fluido in cui lo stesso è tutto liquido e pronto ad evaporare a seguito di somministrazione di calore. Tutti i punti della curva limite superiore rappresentano stati del fluido in cui esso è tutto vapore (saturo secco) e pronto a condensare per eventuale sottrazione di calore. Tutti i punti compresi tra le due curve "limite" rappresentano miscele di liquido e vapore in equilibrio alla stessa temperatura:il vapore in equilibrio con il liquido che lo ha generato è detto saturo. Le curve limite e l'isoterma critica dividono il piano in quattro parti, corrispondenti ai seguenti stati del fluido: liquido, vapore saturo in presenza di liquido, vapore non saturo (surriscaldato) e gas. 5.2 Sistemi di essicazione dell aria compressa L'aria compressa che fuoriesce dal post-refrigeratore e dal serbatoio-polmone, normalmente installati a valle del compressore, ha di solito un punto di rugiada non inferiore a 30. L'aria compressa immessa in rete a tale temperatura (per esempio,in un ambiente alla temperatura di circa 20 ) dà luogo alla formazione di rilevanti quantità di condensa dentro la rete di distribuzione,a causa della condensazione del vapor d'acqua ancora contenuto nell'aria. Per ovviare a questo fenomeno si ricorre ad impianti di essiccamento che riducono ulteriormente l'umidità contenuta nell'aria compressa. Utilizzando essiccatori infatti (Figura 17) otteniamo deumidificazioni più spinte grazie anche all'impiego di sostanze ad alto potere assorbente. 40

41 Figura 17. Esempio di sistema di essicazione. I sistemi di essicazione utilizzati nella pratica sono del tipo a refrigerazione, ad assorbimento, a deliquescienza, misti o combinati. A prescindere dal sistema di essicazione adottato, è evidente che quanto più l'aria occorre secca e pulita tanto più aumentano i costi cui si va incontro. Pertanto il tipo di depurazione ed essiccamento dell'aria va scelto tra quelli sopra accennati in base alle esigenze delle utenze:in particolare non conviene prevedere un impianto di essiccamento che raggiunga punti di rugiada non necessari in relazione agli impieghi cui l'aria compressa è destinata. Come per i compressori, anche per gli impianti di essiccamento è necessario tenere presente ai fini della scelta le diverse voci di costo e precisamente: ammortamento consumo di energia 41

42 perdita di carico manutenzione. Per l'aria compressa sono presenti tabelle da normativa che riportano una raccomandazione che ne precisa le caratteristiche, definendo 5 livelli di qualità (Tabella 4). I parametri considerati sono la grandezza e la concentrazione delle particelle solide, l'olio residuo ed il punto di rugiada. Classi di qualità dell'aria ISO Sporcizia(particelle solide) Acqua Olio Numero massimo di particelle per Concentraz Punto di rugiada diametro particelle (d), in pressione max. ione max < d 0.5< d 1.0< d Requisiti specificati dall'utente o dal fornitore del dispositivo e più severi rispetto alla classe 1 1 * * * * * * * * * * >5 * = non specificato Tabella 4. Classi di qualità dell'aria compressa. Per le normali esigenze industriali che richiedono aria compressa a 6-7 l'impianto di essiccamento è previsto per tutta l'aria prodotta (almeno fino ad un punto di rugiada di 2-3 ) salvo poi essiccare l'aria destinata a particolari utenze-quali può essere l'"aria strumenti"-anche fino a -20. In altri casi si prevede l'essiccamento solo per la quota di aria che lo necessita. 42

43 5.2.1 Essiccatori a refrigerazione Questi essiccatori si basano sul principio che la quantità di condensa separata aumenta con l'abbassamento della temperatura. Per realizzare un raffreddamento spinto quindi si impiega un gruppo frigorigeno, costituito da un compressore, un condensatore e due scambiatori di calore (uno aria-aria e uno ariafluido frigorigeno). In un impianto di essicazione mediante refrigerazione dell'aria a due stadi, il primo stadio comprende un raffreddamento ottenuto facendo circolare controcorrente aria proveniente dal secondo stadio, nel quale ha ceduto calore al fluido frigorigeno circolante in circuito chiuso. L'aria esce da tali impianti alla temperatura di circa e con un'umidità residua corrispondente a una temperatura di rugiada di 2-3. A tale temperatura, considerando una pressione di esercizio di 7, il contenuto residuo di acqua è di circa 0.7 di aria libera. Il raffreddamento dell'aria elimina anche le parti meno volatili dell'olio presenti in essa; rimangono però le parti volatili (difficili da condensare) le quali, se l'aria è destinata a meccanismi particolarmente delicati, occorre in qualche modo separare. In questi casi si ricorre o a filtri disoleatori installati in prossimità delle varie utenze o a un diverso impianto (centralizzato) di essiccamento, basato sul sistema ad adsorbimento, con il quale si raggiungono punti di rugiada molto più bassi. In entrambi i casi le quantità residue di umidità e di vapori oleosi sono minori ma il costo di esercizio è maggiore rispetto agli impianti a ciclo frigorigeno Essiccatori ad adsorbimento Il principio su cui si basa l'essicazione per adsorbimento consiste nel far passare il flusso d'aria proveniente dal refrigeratore finale attraverso un strato di materiale essiccante. Come materiali per l'essiccazione vengono in genere utilizzati alluminia attivata, gel di silice, o carbone attivo. Le principali proprietà di tali materiali sono le seguenti: 1. se vengono attraversati da aria umida fermano il vapore d'acqua e lasciano passare aria; 43