MECSPE FIERE DI PARMA 26 marzo 2010

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1 MECSPE FIERE DI PARMA 26 marzo 2010 PNEUMATICA L efficienza negli impianti e nei sistemi pneumatici Guido Belforte, Gabriella Eula Politecnico di Torino Dipartimento di Meccanica

2 CONDIZIONI DI RIFERIMENTO Protocollo di Kyoto (1997) sui cambiamenti climatici Aumento del costo energetico Concorrenza di paesi ad elevato sviluppo industriale con bassi costi energetici

3 CONSUMI ELETTRICI NELLE AZIENDE INDUSTRIALI Distribuzione dei consumi elettrici nelle aziende industriali Suddivisione dei principali consumi elettrici Fonte: Programma Europeo MOTOR CHALLENGE

4 INCIDENZA DELLA PRODUZIONE DI ARIA COMPRESSA NELL INDUSTRIA Il consumo dell aria compressa nell industria incide con percentuali che variano dal 10% al 20%, con punte del 30% sul consumo complessivo dell energia elettrica. Il sistema aria compressa complessivamente ha una efficienza limitata Secondo il BFPA (British Fluid Power Association) in Europa l efficienza media dei sistemi di lavoro è del 23-30%, nei sistemi pneumatici meno del 20%.

5 UNICITA DEL SISTEMA: GENERAZIONE, TRASMISSIONE, USO L aria compressa viene prodotta, trasferita ed utilizzata in un sistema che è un tutto unico: la generazione ed il trattamento dell aria nella centrale di produzione deve avvenire in funzione delle esigenze del suo utilizzo; la trasmissione dell aria compressa deve avvenire nel modo più efficiente possibile; l uso deve avvenire con riguardo a condizioni di efficacia e di efficienza del macchinario. Troppo spesso le tre fasi sono progettate e gestite in modo indipendente tra loro (competenze diverse), senza una visione di insieme.

6 UTILIZZO E SPRECHI Il reale utilizzo dell aria compressa molto spesso non viene valutato, favorendo sprechi e sottoutilizzi. Fonte: BEKO TECHNOLOGIES

7 CONSUMI, PERDITE, UTILIZZI Elementi rilevanti per un corretto uso dell aria compressa CADUTE DI PRESSIONE ASPIRAZIONE ARIA GENERAZIONE ARIA COMPRESSA TRASMISSIONE UTILIZZO SCARICO ARIA RENDIMENTI MECCANICI E VOL.UMETRICI POTENZA MOTORI ELETTRICI CALORE DI COMPRESSIONE FUGHE FUGHE CALORE DI ESPANSIONE Gli aspetti energetici sono fondamentali, ma non sempre ne è chiaro il collegamento e l importanza

8 L EFFICIENZA NEI SISTEMI DI PRODUZIONE DELL ARIA COMPRESSA 1 Usare compressori con consumi specifici di energia bassi (ad esempio a più stadi) Produrre l aria compressa con il valore di pressione strettamente necessario (ridurre la pressione da 7 a 6 bar comporta un risparmio valutabile in circa l 8%) Ridurre la temperatura dell aria di ingresso al compressore (1% di risparmio ogni 3 C in meno) Energia assorbita nella produzione di 1 dm 3 di aria in funzione del rapporto di compressione

9 L EFFICIENZA NEI SISTEMI DI PRODUZIONE DELL ARIA COMPRESSA 2 Essiccare e filtrare l aria compressa secondo le esigenze senza esagerare Dosare le portate, usare compressori a velocità variabile, usare controlli di gestione per gruppi di compressori Recuperare il calore di compressione per il riscaldamento ambiente, riscaldamento acqua di servizio, altro. Potenze assorbite con regolazioni diverse in funzione della portata

10 L EFFICIENZA NELLE RETI DI DISTRIBUZIONE La rete di distribuzione deve essere progettata, costruita e mantenuta con l obiettivo di: minimizzare le perdite di pressione, al fine di operare con la più bassa pressione di compressione possibile (valore accettabile 0.5 bar); evitare le fughe di aria. A tal fine occorre: usare diametri adeguati per le tubazioni; minimizzare la lunghezza della rete ed usare reti ad anello; evitare cambi di sezione e di diametro; usare tubi lisci; se si usano scaricatori di condensa, usarli senza perdite di aria; isolare le parti di rete non usate, escludendole con valvole automatiche.

11 COSTO DELLE FUGHE Fori anche piccoli provocano fughe significative Con costo medio di Euro/m 3 (ANR) la fuga da un foro di 1 mm costa Euro/ora, pari a Euro su 2000 h di lavoro. DIAMETRO [mm] PORTATA [m 3 /h (ANR)] 1 4,5 3 40, , ,2 Portate teoriche con pressione relativa in rete di 7 bar Per un funzionamento continuo (24 h/giorno, 315 giorni/anno, 7560 ore) il costo dell aria persa da un foro di 1 mm è di Euro.

12 L EFFICIENZA NEI COMPONENTI E NEI CIRCUITI PNEUMATICI L efficienza energetica dei sistemi pneumatici dipende dalla struttura e dal funzionamento dei componenti e dei circuiti finali. Provvedimenti consolidati per migliorare l efficienza: riduzione della potenza di azionamento delle elettrovalvole; ottimizzazione del disegno interno delle valvole; miglioramento delle guarnizioni e riduzione degli attriti. Provvedimenti in evoluzione: gestione delle pressioni sulle linee di ingresso e di scarico realizzazione di componenti ad elevata efficacia ed a recupero energetico.

13 L EFFICIENZA NEI SISTEMI PNEUMATICI Tutti i provvedimenti, ad eccezione della riduzione della potenza di azionamento delle elettrovalvole, tendono a diminuire la quantità di aria compressa da produrre (compresa l eliminazione di fughe e la riduzione degli sprechi). Altro fattore importante è l uso di una pressione di compressione, compatibile con la maggioranza delle utenze e di più basso valore possibile. La gestione delle elettrovalvole è collegata alle tecniche di azionamento elettriche e non è collegata alla produzione di aria compressa, in quanto è gestione di energia fornita dall esterno per controllare i sistemi pneumatici.

14 IL MIGLIORAMENTO ENERGETICO NEI DISPOSITIVI PNEUMATICI DEDICATI A SPECIFICHE APPLICAZIONI Il miglioramento energetico comporta una ottimizzazione dei dispositivi, consentendo di ottenere buone prestazioni con consumi ridotti. Alcuni esempi: - applicazioni tessili; - supporti ad aria (macchine e robot di misura, elettromandrini, macchine per bassa ed alta temperatura, ecc.); - ugelli di soffiatura; - forni di sterratura termica ad aria. In tutti questi casi la soluzione richiede una progettazione ingegneristica efficace, con tecniche di simulazione ed adeguata attività sperimentale.

15 UN ESEMPIO DI MIGLIORAMENTO DELL EFFICIENZA: I TELAI TESSILI L industria tessile è un importante utente di aria compressa (filatura ad aria, telai, interlacciatori, ecc ) Il consumo standard di un telaio in condizioni normali operative può raggiungere e superare i 900 dm 3 /min (ANR) Con una ottimizzazione degli ugelli principali e delle staffette, si può ottenere un risparmio superiore al 25% In un parco di 100 macchine il risparmio è di 1350 dm 3 /h (ANR). Su 4000 h di lavoro in un anno, il risparmio è di euro)

16 IL MIGLIORAMENTO ENERGETICO NEI CIRCUITI PNEUMATICI a) Limitazione della pressione nelle camere dei cilindri Tecniche consolidate nel controllo del moto di cilindri: uso di valvole economizzatrici e di valvole di controllo direzione a due pressioni di lavoro; uso di valvole economizzatrici comandate da finecorsa. Tutte queste soluzioni sono basate sulla limitazione dell aria compressa usata, operando sulla pressione di entrata nelle camere dei cilindri.

17 IL MIGLIORAMENTO ENERGETICO NEI CIRCUITI PNEUMATICI b) Uso di pressione di scarico non atmosferica Questo tipo di soluzione prevede di scaricare le camere dei cilindri in serbatoi a pressione ridotta ( MPa) rispetto a quella di alimentazione. Successivamente l aria può essere usata per utenze a bassa pressione (ad esempio ugelli per soffiare o per dispositivi per asciugatura ad aria). Secondo studi giapponesi, il risparmio energetico sui cilindri può essere valutato in un 15%.

18 IL MIGLIORAMENTO ENERGETICO NEI CIRCUITI PNEUMATICI c) Cilindri a risparmio energetico I cilindri sono dotati di più camere, in modo da recuperare l aria compressa già utilizzata per la corsa di lavoro, per effettuare la corsa di ritorno. Cilindro compatto Cilindro tandem

19 IL MIGLIORAMENTO ENERGETICO NEI CIRCUITI PNEUMATICI d) Recupero dell energia cinetica La compressione dell aria durante la frenata dei cilindri può essere usata per recuperare energia da usare nella corsa successiva

20 LA PNEUMATICA E LE FONTI ENERGETICHE ALTERNATIVE Lo sviluppo di fonti energetiche alternative aumenta di importanza in tutto il mondo, in relazione ad una crescente attenzione ambientale. Nell Unione Europea con la Direttiva sulle energie rinnovabili del 2007, gli Stati Membri hanno deciso di aumentare la percentuale di energie rinnovabili fino al 20% entro il Nel 2005 questa percentuale è stata dell 8.5%. Il consumo di energia si basa su diverse fonti, convenzionali e rinnovabili. Consumo globale dell energia primaria in Germania (2008) Fonte: BMU su rilevazioni Energy Balance Working Group AGEB

21 USO DELL ARIA COMPRESSA PER ACCUMULARE ARIA CAES Compressed An Energy Storage L aria compressa può essere usata per accumulare energia ogni volta che si manifesta un eccesso di produzione e disponibilità di energia elettrica rispetto alle esigenze di utilizzo Il metodo appare particolarmente significativo nei parchi eolici, che sono soggetti alla natura intermittente del vento

22 CONCLUSIONI I costi dell energia e l importanza crescente dei problemi ambientali giustificano una attenzione sempre maggiore verso i problemi energetici. L efficienza degli impianti pneumatici richiede, prima di tutto, una analisi di insieme dell intero sistema, con verifica di inefficienze e sprechi. Occorre migliorare l efficienza di dispositivi pneumatici destinati a specifiche applicazioni con studi e progettazioni adeguate. Occorre sviluppare nuovidispositivi a risparmio energetico. Sviluppi interessanti potranno realizzarsi nell uso dell aria compressa come accumulatore di energia in sistemi di generazione alternativi.

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