PROGETTAZIONE DI SISTEMI INDUSTRIALI

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1 Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica PROGETTAZIONE DI SISTEMI INDUSTRIALI Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù

2 Definizione Impianto produttivo Impianto di servizio Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 2

3 ARIA COMPRESSA

4 Sommario Utilizzi Componenti impianto Compressori Rete Dimensionamento Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 4

5 Definizione Gli impianti ad aria compressa sono degli impianti di servizio aventi la funzione di fornire un fluido in pressione alle utenze. Sono classificati: Entità servita: macchine Tipo: centrifugo Funzione svolta: produzione e distribuzione di un fluido ed energia Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 5

6 Applicazioni Forza motrice (macchine utensili, martelli pneumatici, trasporti pneumatici, etc.) Trasporto di sostanze in polvere Regolazione pneumatica Sabbiatura Verniciatura (a caldo e a freddo) Sostanza estinguente (archi elettrici) Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 6

7 Utensili pneumatici Elevata maneggevolezza Peso e ingombro ridotti Robustezza meccanica Resistenza agli agenti esterni Maggiore sicurezza contro sovraccarichi Maggiore sicurezza antinfortunistica Possibilità di utilizzo in luoghi non serviti dall energia elettrica Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 7

8 Impianto Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 8

9 Impianto Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 9

10 Componenti Compressori (monostadio o pluristadio) Refrigeratori intermedi Smorzatore di pulsazioni di pressione Refrigeratore finale Serbatoio Essiccatore Rete di distribuzione Accessori (valvole di sicurezza, valvole di intercettazione e di ritegno) Utenze Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 10

11 Lavoro di compressione Il lavoro isotermo per una compressione isoterma è il minore tra tutti quelli possibili Si utilizza pertanto la compressione isoterma Adatta per β > 6 7 Monostadio: β < 7 10 Bistadio: β = Pluristadio: β > 20 Lavoro minimo di compressione per passare da p1 a p2: Realizzare singoli β tutti uguali fra loro (n stadi) e pari a: β = p ass Riportare il fluido alla T iniziale (interrefrigerazione) n p p 2 1 Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 11

12 Rendimento sistema rendimento di distribuzione rendimento di compressione rendimento di utilizzazione Valori caratteristici ηg < 0.65 ηc (compressori alternativi) (compressori rotativi) η C η = = D P P VC MC η = U P P MU VC = P P η VU MU m η i Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 12

13 Compressori Compressori volumetrici Compressori alternativi Compressori rotativi Compressori a vite Compressori a palette Compressori a ingranaggi Compressori ad anello liquido Compressori ad elicoidi orbitanti Dinamici (Turbocompressori) Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 13

14 Compressori alternativi SCHEMA FUNZIONALE DEL COMPRESSORE A PISTONI VALVOLA DI SICUREZZA INGRESSO ARIA VENTILATORE FILTRO ARIA STADIO BP OLIO GIUNTO VALOVOLA REGOLATRICE DI PRESSIONE circuito di lubrificazione POMPA OLIO FILTRO OLIO MOTORE ELETTRICO RADIATORE ARIA ( INTERCOOLER) STADIO HP VALVOLA DI MESSA A VUOTO RADIATORE ARIA ( AFTERCOOLER) VALVOLA DI MINIMA PRESSIONE VALVOLA DI SICUREZZA USCITA ARIA COMPRESSA Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 14

15 Compressori alternativi Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 15

16 Compressori alternativi Impieghi: portate >1-20 Nm 3 /min Pressioni: 7-10 bar (monostadio) Tipologia: lubrificati e a secco Raffreddamento: aria o acqua Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 16

17 Compressori alternativi Impianto: Acquisto compressori Realizzazione opere murarie Esercizio: Consumo energia elettrica Acqua di raffreddamento Olio lubrificante Manodopera di servizio Manutenzione Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 17

18 Compressori a palette Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 18

19 Compressori a palette VALVOLA DI SICUREZZA TERMOSTATO SCHEMA FUNZIONALE DEL COMPRESSORE A PALETTE RADIATORE OLIO SERBATOIO OLIO VALVOLA TERMOSTATICA DI BY-PASS FILTRO OLIO INGRESSO ARIA VALVOLA MINIMA PRESSIONE MOTORE ELETTRICO RADIATORE ARIA FILTRO ARIA VALVOLA DI ASPIRAZIONE GIUNTO PRESEPARATORE OLIO-ARIA ELEMENTO FILTRANTE (FILTRO COALESCENTE) USCITA ARIA COMPRESSA GRUPPO PALETTE Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 19

20 Compressori a palette Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 20

21 Compressori a palette Impieghi: portate >100 Nm 3 /min Pressioni: 2-10 bar Tipologia: lubrificati Regolazione: valvola tipo tutto/niente Note: rendimento basso Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 21

22 Compressori a palette Impianto: Acquisto compressori Realizzazione opere murarie Esercizio: Consumo energia elettrica Olio lubrificante (maggiore in quanto presentano un consumo superiore a quello dei compressori alternativi) Manodopera di servizio Manutenzione: minore Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 22

23 Compressori a vite Percorso dell'aria Mandata Compressione graduale Aspirazione Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 23

24 AIR AT AMBIENT PRESSURE Compressori a vite AIR AT DELIVERY PRESSURE ( > MINIMUM PRESSURE VALVE SETTING) AIR + OIL (LOW OIL PERCENTAGE) AIR + OIL (HIGH OIL PERCENTAGE) OIL SOLENOID OPERATED UNLOADING VALVE OIL COOLER AIR HEAT EXCHANGER (AFTER-COOLER) MINIMUM PRESSURE VALVE AIR DELIVERY PRESSURE SWITCH SAFETY VALVE CALIBRATED ORIFICE OIL FILLING VALVE OIL FILTER BY-PASS OIL FILTER AIR INLET VACUUM INDICATOR FAN AIR-OIL SEPARATOR FILTER AIR INTAKE VALVE AIR FILTER OIL OIL ELECTRIC MOTOR COOLING AIR INLET COLLECTING OIL VOLUME SCAVENGE LINE OIL STRAINER CALIBRATED ORIFICE CHECK VALVE OIL RESERVOIR/ PRIMARY AIR-OIL SEPARATOR SCREW FLEXIBLE COUPLING OIL LEVEL INDICATOR THERMOSTATIC VALVE DRAIN VALVE TEMPERATURE SWITCH Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 24

25 Compressori a vite Impieghi: portate >70 Nm 3 /min Pressioni: 13 bar (monostadio) 20 bar (bistadio) Tipologia: lubrificati a secco (sincronizzati) Regolazione: valvola parzializzatrice all aspirazione inverter Trascinamento: Collegamento diretto Trasmissione a ingranaggi Trasmissione a cinghie Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 25

26 Compressori scroll Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 26

27 Compressori scroll Impieghi: portate <1 Nm 3 /min Pressioni: 10 bar Tipologia: a secco Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 27

28 Compressori scroll INGRESSO ARIA SCHEMA FUNZIONALE DEL COMPRESSORE SCROLL VALVOLA DI ASPIRAZIONE GRUPPO DI COMPRESSIONE fasi di compressione FILTRO ARIA CINGHIA TERMOSTATO VENTILATORE ingresso aria RADIATORE ARIA MOTORE ELETTRICO VENTILATORE uscita aria in pressione VALVOLA DI SICUREZZA spirale fissa spirale orbitante USCITA ARIA COMPRESSA Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 28

29 Compressore Roots Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 29

30 Compressori dinamici - centrifughi Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 30

31 Compressori dinamici - assiali Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 31

32 Compressori dinamici Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 32

33 Compressori dinamici Architettura: radiali o centrifughi assiali Impiego: portate elevate Nm 3 /min (centrifughi) Nm 3 /min (assiali) Pressioni: 2-10 bar Tipologia: a secco Azionamento: motori elettrici turbine a gas turbine a vapore Regolazione: valvola di regolazione all aspirazione valvola di sfiato alla mandata (contro il pompaggio) Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 33

34 Confronti Vantaggi: Compressori rotativi Assenza di valvole Uniformità della portata d aria Peso e ingombro ridotti Semplicità delle fondazioni Assenza di lubrificazione (compressori a vite e scroll) Costi contenuti Svantaggi : Scarsa efficienza a pressione e portate elevate Transitorio: non sopportano le frequenti sollecitazioni dovute al frequente attacca-stacca del pressostato del serbatoio Compressori alternativi Vantaggi (rispetto ai turbocompressori): Forniscono potenze elevate elaborando portate minori di una turbomacchina di pari ingombro (miglior rendimento specifico) Sopportano bene il transitorio Vantaggi: Compressori dinamici Assenza di valvole Uniformità della portata d aria Peso e ingombro ridotti Semplicità delle fondazioni Assenza di lubrificazione Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 34

35 Criteri di scelta Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 35

36 Refrigeratori a fascio tubiero Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 36

37 Refrigeratori a fascio tubiero Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 37

38 Serbatoio Funzioni: Portata e pressione costante dell aria immessa in rete Slegare il funzionamento del compressore dalla richiesta delle utenze Favorire la separazione della condensa Motore del compressore: Funzionamento continuo (a carico e a vuoto) Avviamento automatico (da pressostato) Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 38

39 Condensa L acqua uscente dal serbatoio ha un punto di rugiada di circa 30 C A contatto con la rete di distribuzione si può generare condensa Essa può generare: Corrosioni di tubazioni e apparecchiature Aumento costi di manutenzione Progressiva diminuzione di efficienza dell impianto Formazione di ghiaccio e occlusioni Lavorazioni di qualità minore (es. verniciatura) Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 39

40 ARIA ATMOSFERICA ASPIRATA ARIA COMPRESSA SATURA Condensa UMIDITA RELATIVA UMIDITA ASSOLUTA PRESSIONE RELATIVA Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 40

41 Eliminazione condensa Interrefrigerazione (nei compressori pluristadio) Refrigerazione finale (separatore di condensa) Serbatoio Essiccatori A refrigerazione Ad adsorbimento A deliquescenza Misti o combinati Accorgimenti sulla rete Costi Impianto: Acquisto essiccatore Esercizio: Consumo energia (elettrica o termica) Perdita di carico Manutenzione Ricambio sostanza essiccante Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 41

42 Essiccazione a refrigerazione Funzionamento: scambiatore di calore acqua-aria Temperatura di rugiada: 2-3 C Disoleazione: elimina solo le parti meno volatili dell olio (filtro a valle) Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 42

43 Essiccazione a deliquescenza Funzionamento: la sostanza deliquescente (cloruro di sodio o fosfato di calcio) si lega con l acqua (sciogliendosi) Temperatura di rugiada: 0 C Filtri: a monte (olio) e a valle (sostanze igroscopiche) Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 43

44 Essiccazione ad adsorbimento Funzionamento: la sostanza adsorbente si lega con l acqua e lascia passare l aria Sostanze: Allumina attivata Gel di silice Carbone attivo Rigenerazione: aria calda Temperatura di rugiada: -30/-50 C Filtri: a monte (olio) e a valle (pulviscolo) Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 44

45 Essiccazione ad adsorbimento Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 45

46 Accorgimenti sulla rete Pendenze tubazioni: % Presa d aria: dalla parte alta del tubo Essiccazione: Aria non essiccata: dispositivi di scarico condensa nelle utenze (separazione o filtrazione) Aria essiccata: dispositivi di scarico condensa solo nelle utenze particolari (verniciatura) Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 46

47 Accorgimenti sulla rete Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 47

48 Rete di distribuzione Tipo: aperte o a maglie Utenze: innesto rapido Materiale: acciaio Tipologia: Pressioni fino a 7-8 bar: acciaio commerciale Pressioni fino a bar: acciaio superiore Isolamento: antistillicidio dopo l essiccatore Posa in opera: Sospese Posate in cunicoli Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 48

49 Rete di distribuzione Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 49

50 Rete di distribuzione Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 50

51 Sala compressori Aspirazione (da nord) Silenziatore Ridotta perdita di carico Filtro aria Elevata efficienza (senza decadimento rapido delle prestazioni) Ridotta perdita di carico Costruzione robusta Pre-filtro (nelle zone polverose) Ventilazione Vasistas Torrini di aspirazione Spazio attorno alle macchine Operazioni di montaggio e manutenzione Aggiunta macchine Rumore Silenziatore all aspirazione Chiusura macchine in cabine Isolamento macchine in locali Posizione: baricentrica Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 51

52 Dimensionamento Utenze: Pressione richiesta Portata richiesta Coefficiente di contemporaneità Perdite di aria Q max = max ( Q(t) ) ( ) tot = μfughe μcontemp Q t utenze Determinazione della velocità: v = m/s Determinazione del diametro -> diametro commerciale Determinazione delle perdite di carico Scelta dei compressori: tipo, caratteristiche, numero Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 52

53 Dimensionamento Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 53

54 Costi Impianto Opere murarie e di fondazione Componenti: Compressore Tubazioni Raccorderia Essiccatori Sistemi di raffreddamento Serbatoi Ausiliari vari Esercizio Energia assorbita Manutenzione Manodopera Acqua di raffreddamento Lubrificante Impianti di servizio Ing. Pier Francesco Orrù 54