Elettropneumatica. 2. Generazione dell aria compressa

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1 Elettropneumatica L elettricità è solo uno dei modi per trasferire capillarmente l energia di cui l uomo ha bisogno, a distanza. Un altro modo che trova ampia applicazione in ambienti limitati, è la forza di un fluido normalmente aria o olio. In particolare l aria può essere facilmente compressa e con un impianto di distribuzione essere capillarmente trasportata in diversi ambienti. L etimologia ella parola «pneumatica ha radice nell antico termine greco neuma che significa soffio oppure respiro. Nel suo significato originale era lo studio del cicli e spostamenti d aria. Gli Impianti pneumatici sono macchine ed apparecchi che funzionano con aria compressa oppure aria aspirata. La pneumatica è l insieme delle applicazioni per impianti pneumatici. La maggior parte delle tecniche pneumatiche utilizza l energia dell alta pressione precedentemente generata, da una fonte di energia partendo dall aria a pressione atmosferica. La pneumatica nella sua forma attuale è un ideazione relativamente giovane della tecnica, Circa 100 anni fa furono inventati quasi contemporaneamente diversi dispositivi pneumatici quali la posta pneumatica, il freno pneumatico, il maglio, la macchina foratrice ed altri utensili pneumatici. Oltre al tram, con dispositivi ad azionamento pneumatico, esistevano diversi sistemi impiegati per le ferrovie. lcuni di essi esistono ancora oggi, benché perfezionati, altri sono stati altrettanto presto eliminati per varie difficoltà ed inconvenienti di utilizzazione. 2. Generazione dell aria compressa I comandi pneumatici necessitano, secondo la prestazione richiesta, di aria compressa in quantitativi sufficienti. Il tecnico pneumatico collega il suo impianto alla rete di aria compressa; la generazione dell aria non fa pertanto parte del suo lavoro. Comunque, questo problema si presenta nella prima utilizzazione della pneumatica. ccessorio principale per la generazione di aria compressa è sempre il compressore, disponibile in vari tipi per differenti possibilità di impiego. Compressori sono chiamati tutti i macchinari che convogliano aria compressa, gas o altri vapori, influenzando il parametro pressione. Caratteristiche di ogni compressore sono la portata in l/min (per compressori piccoli) oppure m 3 /min ed il rapporto di compressione la pressione raggiunta in bar. Le portate fornibili possono variare, secondo il tipo di costruzione, da pochi l/min fino a m 3 /min circa. La pressione d esercizio è la pressione generata dal compressore per l alimentazione dellìaccumulatore a serbatoio.

2 L a pressione di lavoro è quella utilizzata effettivamente dagli utilizzatori. er la pneumatica si usano soltanto alcuni tipi di compressori condizionati dalla necessaria pressione di lavoro. I comandi pneumatici funzionano normalmente con una pressione d aria di Ca. 6 bar. Il limite inferiore è di circa 3 bar e quello superiore di circa 15 bar. ressioni superiori ed inferiori sono possibili per casi speciali, che si possono incontrare sporadicamente. Tipi di compressori Si distinguono in compressori a pistone ed i compressori dinamici che si dividono poi in molti sottogruppi. I compressori dinamici si impiegano per portate grandi o grandissime e per realizzare pressioni d uscita minime. Un impiego economico dei compressori dinamici si ottiene solo per alimentazioni superiori a 600 m 3 /min. Compressore a pistone scorrevole Frequente si trova il compressore Fig.1 compressore alternativo a pistone scorrevole (fig. 1), impiegato come unità stazionaria o mobile. Esistono compressori a pistone scorrevole per impianti piccoli sino a quelli con portate superiori a 500 m 3 /min. I compressori a pistone scorrevole ad un solo stadio realizzano una pressione d uscita sino a circa 6 bar e per casi speciali anche sino a 10 bar. Compressori a doppio stadio raggiungono normalmente pressioni d uscita di 15 bar. Questi compressori a tre, quattro e più stadi possono fornire una pressione finale superiore a 250 bar. er la pneumatica ben si prestano quelli a uno o due stadi, da preferire il tipo a due stadi quando la pressione d uscita è maggiore di 6 bar poiché con minimi costi di funzionamento si ottengono prestazioni elevate. Compressore rotativo er generare aria compressa si impiegano anche i compressori rotativi a più cellule o compressori lamellarl. Nel compressore lamellare il rotore è disposto eccentricamente rispetto alla carcassa in modo da creare uno spazio a forma di falce, che viene, tramite le lamelle mobili presenti nel rotore, suddiviso in più cellule che formano altrettante camere di compressione. Nel movimento destrorso del rotore (fig. 2) l aria viene aspirata da sinistra, dato l ingrandirsi delle cellule, e poi compressa nelle cellule stesse al lato destro. Le lamelle possono scorrere all interno delle sedi ricavate nel rotore radialmente.

3 I particolari vantaggi di questo tipo di compressore sono il suo funzionamento silenzioso e la generazione di aria quasi priva di pulsazioni. I compressori rotativi realizzano con uno stadio 4 bar e con due stadi circa 8 bar. Si possono raggiungere portate, secondo la grandezza, di 100 m 3 /min. La portata di un compressore in l/min oppure m 3 /min è la sua prestazione. La portata esprime l aria libera aspirata (aria atmosferica a temperatura normale senza sovrappressione). Compressori a vite Il cuore dei compressori rotativi è il gruppo vite,composto da due rotori di forma elicoidale che,ruotano all'interno di un carter,comprimendo l'aria in modo continuo.er ottenere la compressione i rotori vengono costantemente lubrificati.un sottile strato d'olio consente infatti la tenuta tra i due rotori oltre che favorire lo scambio termico per il raffreddamento dei vari componenti e garantire la necessaria lubrificazione. L'aria viene quindi filtrata attraverso un apposito filtro separatore ed immessa nel circuito refrigerante.la temperatura dell'aria compressa in uscita dal compressore è di pochi gradi superiore a quella ambientale,questo per facilitare il successivo trattamento dell'aria compressa con filtri ed essiccatori. Compressori a vite montati su serbatoio TKD comprende gruppo filtri Modello Volt l/min. m3/h bar psi CV Kw Serbat. Kg. TK 7/ /50/ , ,5 6,5 lt TK 10/ /50/ ,7 lt TK 15/ /50/ , ,9 lt TKD 7/30 400/50/ , ,5 6,5 lt TKD 10/ /50/ ,7 lt TKD 15/ /50/ , ,9 lt TKD 10/ /50/ ,7 lt TKD 15/ /50/ , ,9 lt

4 Compressori aerodinamici. Lavorano secondo il principio aerodinamico: aspirazione dell aria da un lato e compressione mediante accelerazione delle masse. I più utilizzati sono i compressori a turbina di tipo assiale e radiale. Lo schema di fig mette in evidenza i campi di pressioni e portate (in m 3 /h di aria normale) generalmente occupati dai diversi tipi di compressori rapidamente descritti.

5 Stazione d aria compressa Gli impianti di compressori sono utili alle aziende solo quando servono come apparecchi ausiliari, o per scopi di ricerca. Indubbiamente è da preferirsi l apparecchiatura stazionaria. Il montaggio di un impianto d aria compressa dovrà essere eseguito su elementi di ammortizzamento onde evitare vibrazioni; i gruppi più grossi su fondamenti, appositamente preparati, non connessi rigidamente con il pavimento. meno dei piccoli compressori, i generatori di aria compressa devono essere installati in una sala appartata. È da fare attenzione che il compressore possa aspirare possibilmente aria fredda, in particolare aria asciutta e pulita. In presenza di aria sporca, si può ricorrere all uso di un filtro d aria supplementare che depura l aria, convogliata verso i compressori, attraverso condotte opportunamente dimensionate. In tal modo possono essere alimentati anche più compressori tramite una sola linea di aspirazione. La durata o vita di un compressore dipende dal grado di depurazione dell aria aspirata. L aspirazione di aria calda ed umida porta ad una quantità maggiore di condense dopo la compressione dell aria. 3. Distribuzione dell aria compressa La distribuzione dell aria compressa dal generatore all utillzzatore non dovrebbe mai essere trascurata, poiché la scelta dl apparecchiature e materiali adatti e eliminazione di eventuali perdite fa risparmiare denaro Serbatoio d aria, accumulatore Serbatoi d aria ed accumulatori risolvono diversi problemi, regolano comunque insieme le variazioni di pressione nell intero sistema di distribuzione ed eliminano le condense. Il serbatoio d aria è posto direttamente dopo il compressore: esso livella la pressione derivante dai compressori alternativi. Inoltre ha la funzione di accumulatore dell intera rete, e contribuisce al raffreddamento dell aria compressa con eliminazione della condensa qui già presente. Grossi impianti di compressione sono dotati di refrigeratore e dispositivi per l eliminazione dell acqua dovute alle condense, installati tra i compressori ed il serbatoio d aria. La dimensione del serbatoio d aria dipende dal consumo di aria compressa e dalla prestazione del compressore. È facile determinare le misure del serbatoio d aria in aziende con impianti pneumatici, poiché esso deve avere principalmente la funzione di accumulatore e si può contare su un consumo continuato con tolleranze minime. Le sue dimensioni dipendono comunque ancora da altri fattori, ad es. dalla regolazione del funzionamento del compressore e dalle interruzioni massime consentite; restano tuttavia fattori più importanti la funzione di accumulazione ed il consumo d aria continuato. La funzione di accumulazione è necessaria, poiché i singoli compressori pneumatici devono, in caso di disfunzionamento, ad esempio mancanza di corrente, raggiungere le posizioni

6 regolari di arresto per poter ripartire. er il suo dimensionamento vale la formula 15 Q V = D z dove V è il volume in m3 Q la portata m3/min di aria normale ressione all aspirazione D perdita di carico z numero di accensione /h Esempio di dimensionamento di un serbatoio per un impianto di portata 5 m3/min aria normale p=2 bar. perdite di 0,2 bar e 30 accensioni /h V = = 25 m 3 0,2 30 er la costruzione e l impiego di serbatoi ad accumulatori con una capacità di più di 200 litri ed una pressione d esercizio superiore a 0,5 bar esistono prescrizioni e sono obbligatori controlli eseguiti da appositi enti. In pratica tutti i serbatoi d aria e accumulatori impiegati nella pneumatica sono soggetti a dette prescrizioni. reparazione dell aria compressa L aria prima di essere compresssa deve essere purificata, si eliminano tramite dei filtri tutte le impurità, polvere, scorie, ruggine che possono danneggiare l impianto e le apparecchiature. Inoltre viene eliminata con degli essiccatori una buona parte dell umidità presente nell aria prelevata nell ambiente. Gli essiccatori possono essere a ciclo frigorifero in cui l aria e l olio caldi e umidi sono raffreddati, condensano e sono scaricati, oppure sono ad adsorbimento. In questi ultimi un agente chimico, normalmente gel di silice o allumina, assorbono il vapore acqueo presente nell aria. Lungo l impianto si dispongono numerosi raccoglitori di condensa con spurgo manuale o automatico. E, inoltre, necessario regolare la pressione dell impianto di distribuzione alle specifiche esigenze dell apparecchiatura utilizzante.

7 Le funzioni di regolazione, raccolta condensa, filtraggio e lubrificazione di misura possono essere svolte da un unico dispositivo. er l intercettazione e lo scarico della condensa le tubazioni devono avere uuna pendenza del 1%-2%. Unità operatrici Sono dei dispositivi in grado di realizzare differenti tipi di lavoro come trasporto, foratura, fissaggio,... Si possono individuare alcuni gruppi principali: u.o. per movimenti lineari (cilindri) u.o. per moti rotativi ( motori, cilindri rotativi) u.o. combinate. I cilindri Il cilindro pneumatico è un dispositivo motore in cui l energia statica dell aria compressa è trasformata in lavoro meccanico. Sono stati inventati numerosi attuatori per sfruttare le potenzialità dell aria compressa ma sicuramente i cilindri pneumatici rappresentano il più semplice e diffuso dispositivo per creare degli automatismi. I cilindri possono essere utilizzati per sollevare, abbassare, premere, bloccare, incastrare, aprire chiudere. Gli elementi costitutivi di un cilindro sono: due testate (1) e (2), una camicia cilindrica (3), un pistone con sistema di tenuta (4), uno stelo (5), completano il cilindro le guarnizioni, i bulloni e gli anelli di tenuta. Si definisce corsa positiva (+) del cilindro quella per cui lo stelo del pistone esce dal cilindro, corsa negativa (-) quella dursante la quale lo stelo entra nel cilindro. er un dimensionamento di massima si ricorda che l area del cilindro vale =pd2/4 per considerare lo spazio occupato dall asta del pistone si considera approssimativamente l area utile: t= 0,9 La forza teorica che può esercitare un pistone è allora

8 F= p t =0,9 p=0,9 p D 2 /4 La pressione p negli impianti tradizionali è in genere di 7 bar=7x10 5 N/m 2. er cui l espressione della forza treorica può essere espressa come F= D 2 D è espresso in mm. In realtà la forza effettiva deve tener conto della forza d attrito Fa e della forza di richiamo della eventuale molla Fk. Fe=F-Fa-Fk Cilindri e semplice effetto Il cilindro a semplice effetto può eseguire un determinato lavoro soltanto in un senso del movimento. Esistono cilindri a semplice effetto di vari tipi, anche molto diversi tra loro. Una delle esecuzioni più semplici è il cilindro a membrana. Tra due tazze metalliche imbutite viene montata una membrana di gomma dura, materiale plastico oppure metallo. L asta pistone è fissata al centro della membrana I cilindri a semplice effetto realizzano lavori in una sola direzione, pertanto evitare componenti pesanti che nel ritorno del pistone debbano essere trascinati. Eccezionalmente: piastre di serraggio semplici e leggere senza necessità di guida. La molla di richiamo limita la costruzione in lunghezza del cilindro a semplice effetto; in linea di massima la corsa non è superiore a 100 mm. Siccome l impiego del cilindro a semplice effetto è molto economico per il suo limitato consumo d aria, viene utilizzato un

9 effetto semplice, anche per corse più elevate, impiegando un cilindro a doppio effetto in modo che la piena energia pneumatica sia disponibile solo nell attacco destinato alla direzione di lavoro. L attacco opposto viene alimentato con una pressione molto ridotta: ad es. direzione di lavoro 6 Kp/cm 2, direzione opposta 1 Kp/cm 2. Cilindri a doppio effetto Il cilindro a doppio effetto consente la movimentazione dei carichi nei due sensi di marcia. E impegato quando il pistone deve lavorare anche durante la sua corsa negativa. ttuatori rotativi Sono cilindri muniti di cremagliera che ponendo in rotazione una ruota dentata, trasformano il moto alternativo in rotativo. Sono commercializzati con diverse possibili rotazioni.

10 appresentazione simboli. er quanto riguarda la rappresentazione è necessario rispettare le norme UNI 6861 nelle tabelle sono riportati alcuni significativi esempi dei dispositivi pneumatici.

11 Valvole er il controllo delle unità operatrici sono utilizzati degli elementi di pilotaggio e regolazione chiamati valvole. Questi dispositivi consentono il comando, l arresto, la regolazione di flusso, il controllo della pressione, della portata, della direzione. Una classificazione può essere la seguente: valvole di non ritorno valvole di pressione valvole di flusso valvole di intercettazione valvole di direzione Le valvole unidirezionali sono delle valvole di non ritorno. Hanno il compito di bloccare il flusso nella direzione B mentre fluisce senza perdite quando l aria da vince la debole forza opposta dalla molla. B La valvola unidirezionale impedisce il flusso in un solo verso tramite un attuatre conico, sferico, a membrana, che chiude il condotto. Sono usate all ingresso dei serbatori per evitare che si svuotino, consentendo altresì l ingresso dell aria proveniente dai compressori. Le valvole di pressione lavorano in fuzione della pressione. Tra queste distinguiamo: i regolatori di pressione che scaricano le eventuali sovrapressioni da un foro d uscita, i limitatori di pressione sono usati come dispositivi di sicurezza aprendo il circuito pneumatico quando si raggiunge una pressione di soglia potenzialmente critica per gli utilizzatori. ria non regolata ria regolata Valvola con regolazione del flusso in un solo verso.

12 E possibile regolare la velocità dei cilindri con valvole che regolano la portata in un verso. L aria non regolata sospinge la sferetta liberando l ostruzione. Nel verso dell aria regolata la sferetta rimane nella sua posizione e l aria può passare solo attraverso lo strozzamento la cui larghezza è regolabile da una vite. Nei cilindri a doppio effetto con due valvole regolatrici di flusso posti sugli scarichi, è possibile regolare in modo differente la velocità nei due versi. Valvole d intercettazione (rubinetto d intercettazione), sono normalmente installate in prossimità dell unità di distribuzione, per poter escludere rapidamente l aria compressa che alimenta l impianto. Valvole di direzione Vanno a infuenzare il verso del flusso, esse consentono lo smistamento dell aria compressa ai diversi utilizzatori. In particolare nella nomenclatura delle valvole distributrici valgono le seguenti convenzioni: il primo numero indica le aperture mentre il secondo numero le posizioni (pertanto la valvola 3/2, indica una valvola con tre aperture e due posizioni; gli utilizzi sono indicati con le lettere:,b,c l alimentazione dell aria compressa è indicata con con, S, T sono indicati gli scarichi Z, Y, X i comandi pneumatici delle valvole a comando pneumatico. Le valvole sono rappresentate da dei quadrati il numero di quadrati indica il numero di posizioni che può assumere la valvola i passaggi e le direzioni sono indicati con una freccia gli arresti sono indicati con tratti trasversali gli attacchi, ingressi e uscite, sono indicate nella posizione di riposo ossia quella posizione che le parti mobili della valvola assumono nella posizione di riposo

13 Distributori Valvole 3/2 valvola 3/2 normalmente chiusa con ritorno a molla Nella figura precedente è rappresentata un distributore 3/2 NC a comando mauale e ritorno a molla, sono possibili anche distributori NO e comandati da altri tipi di controlli. Valvola 3/2 NO a comando a fungo Valvola 3/2 NO La valvola 3/2 consente il controllo di cilindri a semplice effetto. Il comando manuale porta l alimentazione in uscita da e quindi alimenta il cilindro che arretra comproimendo la molla. Quado cessa il comando la molla della valvola 3/2 riporta in scarico e l asta del cilindro è riportato nella posizione di riposo dalla molla.

14 Valvola 5/2 B B Il distributore 5/2 possiede 5 aperture e due posizioni, nella figura è rappresentato il principio di funzionamento della valvola. S Simbolo valvola 5/2 azionamento a finecorsa e ritorno a molla S B B S S Nella posizione a riposo sono messi in comunicazioe l alimentazioe con l utilizzatore e l utilizzatore B è in scarico da S; quando la valvola è attiva l alimentazioe con l utilizzatore B e l utilizzatore è in scarico da. Con il distributore 5/2 è possibile controllare cilindri doppio effetto come mostrato nello schema in figura. Sono disponibili comandi meccanici, pneumatici ed elettrici per un uso flessibile delle valvole stesse, inoltre oltre a distributori monostabili esistono delle versioni bistabili che vengono comandate con degli impulsi di controllo. B B S S Distributori 2/2 Questa valvola ha due posizioni e due vie. Nella rappresentazione è presente un attuatore manuale sulla destra, e una molla che riporta la valvola nella posizione di riposo. In questa posizione le due vie sono chiuse e pertanto

15 la valvola è del tipo normalmente chiusa. Il distributore 2/2 può essere adoperato come dispositivo di sicurezza, premendo l attuatore manuale si interrompe il fluso impedendo il movimento del dispositivo( cancello, pressa..). Distributore 4/2 C1 B T C2 Questa valvola ha tre posizioni e quattro vie. La posizione centrale e quella a riposo e corrisponde alle quatto vie chiuse. ttivando le bobine c1 o c2 si collegano le vie come mostrato in figura. In questo modo è possibile alimentare un cilindro a doppio effetto. I silenziatori Sullo scarico delle valvole direzionali è spesso posto un silenziatore. Esso è dotato di un attacco filettato; nel suo interno è presente del materiale poroso plastico o di bronzo sinterizzato oppure della paglia metallica. Il flusso è sudiviso in numerosi filetti fluidi riducendo così il rumore.