UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI CASSINO E DEL LAZIO MERIDIONALE. Macchine operatrici termiche

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1 UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI CASSINO E DEL LAZIO MERIDIONALE Macchine operatrici termiche

2 Compressori volumetrici alternativi Il compressore alternativo è costituito da un pistone che scorre all'interno di un cilindro creando depressione in modo tale da aspirare il gas per poi comprimerlo nella corsa di ritorno. Il cilindro è in comunicazione, solitamente tramite valvole lamellari, con un condotto di aspirazione ed un condotto di mandata. E' generalmente azionato, mediante un meccanismo biella-manovella, da motori elettrici; più raramente da motori a combustione interna. apertura valvola di scarico apertura valvola di asprirazione biella manovella

3 Rendimento volumetrico La corsa del pistone non termina a contatto con il cielo del cilindro. Esiste quindi, a fine corsa, un volume residuo che contiene gas in pressione. Tale gas impedisce l'apertura della valvola di aspirazione fino a che non si sia espanso. Ve V 3 V 4 V3 V4 V 3 1n λ= =1+ =1 1 =1 (β 1) rendimento volumetrico Vn V V V3 V ( espansione gas residuo (recupero del lavoro) 1 V 4 P3 n = V3 p4 ( ) spazio morto (o nocivo) influenza di Vn influenza di β )

4 Compressione multistadio I compressori alternativi sono macchine adatte a pressioni elevate (fino a oltre 3000 bar), mentre le portate sono modeste poiché sono legate alla cilindrata ed alla velocità di rotazione dell'albero entrambe connesse, a loro volta, alle forze di inerzia delle masse alterne e quindi alle sollecitazioni meccaniche. Le alte pressioni, tuttavia, richiedono l'impiego di più cilindri in successione a pressione crescente poiché, per avere ad esempio λ=90% con Vn=5%, non si può superare β=7. Inoltre si deve tener conto del danno provocato al funzionamento delle valvole ed al potere lubrificante dell'olio a temperature superiori a 250 C.

5 Regolazione della portata 1 Generalmente sul condotto di mandata sul quale è presente un serbatoio che, a seconda delle dimensioni, può avere lo scopo di smorzare le variazioni di pressione dovute al moto alternativo del pistone o di creare una riserva da utilizzare a compressione fermo. In ogni caso la pressione finale richiesta è generalmente costante al variare della portata. Variazione del numero di giri: riduce la potenza assorbita senza modificare la pressione ed è facilmente attuabile se il motore è termico. Strozzamento all'aspirazione: diminuendo la pressione a monte si riduce il rendimento volumetrico; la variazione di portata è molto modesta mentre la potenza assorbita non scende e, comunque, non è un metodo indicato se la pressione iniziale è atmosferica. Bypass: parte del gas compresso viene scaricato in atmosfera o refrigerato e ricircolato al serbatoio a monte.

6 Regolazione della portata 2 Limitazione della corsa utile di aspirazione: si ottiene anticipando o ritardando la chiusura della valvola di aspirazione; il numero di giri non varia e la potenza assorbita diminuisce, ma sono richieste costose valvole comandate ad apertura variabile.

7 Regolazione della portata 3 Messa a vuoto: consiste nel far compiere al compressore giri a vuoto, cioè con la valvola di aspirazione sempre aperta; è molto semplice, ma assorbe potenza (circa 15%) anche durante i giri a vuoto.

8 Regolazione della portata 4 Aumento dello spazio nocivo: si ottiene realizzando delle camere addizionali e riduce la potenza assorbita.

9 Compressori volumetrici rotativi 1 I compressori rotativi sono invece macchine molto veloci adatte per pressioni fino a 25 bar. Hanno numerosi vantaggi: compattezza e leggerezza, assenza di valvole, meno rumore e vibrazioni, ridotta manutenzione. I tipi più diffusi sono quelli a vite, a palette radiali ed a lobi. Il compressore a palette è costituito da un rotore di forma circolare dotato di palette radiali retraibili che ruota eccentricamente all'interno di una cavità a sezione circolare creando camere a volume variabile. Il volume delle camere è massimo dal lato aspirazione e minimo dal lato mandata ed il rapporto di compressione è dato dal rapporto tra il volume di aspirazione e quello di mandata. Un impiego tipico è quello di pompa a vuoto che consente di raggiungere livelli di vuoto di pochi mbar assoluti.

10 Compressori volumetrici rotativi 2 Nei compressore a lobi (comunemente denominati compressori Roots) due rotori ruotano controsenso attorno a due assi paralleli. Il loro profilo è tale da combaciare in ogni istante durante la rotazione consentendo quindi la formazione di camere separate a geometria variabile. Sono di impiego abbastanza diffuso per applicazioni a bassa pressione, soprattutto come soffianti. Il compressore a vite è costituito da due viti che imboccano l'una sull'altra e sono caratterizzate da una sezione di cava che si va restringendo dalla zona di aspirazione fino a quella di mandata in modo tale da imprigionare il gas in una cavità che si va progressivamente restringendo. Consentono rapporti di compressione più elevati rispetto alle soffianti (fino a 4:1) e possono anche essere usati in serie.

11 Compressori volumetrici rotativi 3 Il compressore scroll è costituito da due spirali, una fissa e l'altra orbitante che formano camere di sezione progressivamente decrescente via via che vengono spinte verso il centro della macchina (mandata). Non essendovi contatto tra le due spirali non è necessaria alcuna lubrificazione. Le portate variano da 3 a 7 l/s. La pressione massima alla mandata è intorno ai 10 bar.

12 Compressori centrifughi Sono la tipologia più diffusa tra i compressori e trovano impiego in molte applicazioni. Il fluido entra dalla flangia di ingresso, in direzione generalmente assiale. Un rotore incrementa l energia cinetica del fluido, che in un successivo statore (diffusore, a forma di chiocciola) è parzialmente convertita in energia potenziale, principalmente sotto forma di pressione. Il fluido, raccolto dalla chiocciola, lascia la macchina in direzione tangenziale, nella sezione di uscita.

13 Compressori centrifughi In alcuni statori ( palettati ) il flusso è guidato da condotti palettati, con il compito di ridurre le vorticosità e migliorare la conversione dell energia cinetica in energia potenziale. Questa soluzione è adatta per macchine che lavorino prevalentemente nelle condizioni di progetto, perché al variare della portata il mancato parallelismo tra la velocità relativa all uscita del rotore e la direzione del condotto statorico produce brusche variazioni della velocità e perdite per urto.

14 Compressori centrifughi pluristadio La geometria del flusso, di tipo radiale centrifuga, massimizzare lo scambio energetico ottenibile nello rende più difficoltosa la disposizione pluristadio compressori a flusso assiale. Infatti è necessario inserire un canale di ritorno tra il uno stadio e la girante dello stadio successivo. permette di stadio, ma rispetto ai diffusore di

15 Compressori assiali I compressori assiali sono costituiti da un rotore sul quale sono riportate le corone di palette mobili e da uno statore costituito da un cilindro cavo concentrico al rotore e sul quale sono riportate le corone di palette fisse. Consentono di elaborare portate elevate con ingombri radiali ridotti, ma, rispetto ai compressori centrifughi, richiedono un più elevato numero di stadi, cosa peraltro piuttosto semplice, per compensare il minor valore del rapporto di compressione per stadio ottenibile. Le elevate portate comportano elevate velocità di attraversamento e, quindi, per non avere perdite troppo elevate, le palette sono piuttosto piatte e sottili.

16 Compressori assiali All'inizio di un compressore assiale prima del rotore è posta una palettatura deviatrice fissa orientabile la cui funzione è quella di orientare il vettore velocità assoluta in modo da ridurre il vettore velocità relativa all ingresso del rotore ed impedire che il flusso relativo diventi supersonico, con presenza di onde d urto. Nella compressione le forti decelerazioni potrebbero comportare ispessimento dello strato limite e quindi elevate perdite fluidodinamiche. Per questo motivo si suddivide la variazione di pressione tra rotori e statori ed i compressori sono sempre a reazione. Grazie agli accurati metodi di progetto oggi realizzabili per i notevoli progressi sullo studio dell aerodinamica del flusso, i compressori assiali possono raggiungere rendimenti particolarmente elevati, prossimi al 90%. Sono pertanto preferiti per quelle applicazioni in cui l elevato rendimento risulti un fattore di scelta determinante, come nel caso di accoppiamento con turbine a gas. Inoltre, nel caso di propulsione aeronautica, risulta molto importante anche il contenimento dell'ingombro radiale al fine di ridurre la resistenza aerodinamica del velivolo.

17 Compressore centrifugo con cassa aperta orizzontalmente pmax [bar] Campi di utilizzazione dei compressori Compressore centrifugo con cassa aperta verticalmente Compressore assiale Compressore volumetrico alternativo Compressore volumetrico rotativo Q/1000 [m3/h]

18 Orientamento delle pale e lavoro reversibile Da quanto visto, sembra conveniente utilizzare sempre giranti con pale rivolte in avanti per ottenere una maggior velocità in uscita e quindi un maggior lavoro specifico. In realtà nel passaggio alle macchine reali si ha un ribaltamento della situazione perché all'aumentare della differenza di pressione nel diffusore aumentano le perdite per distacco della vena fluida e quindi il diffusore a valle di una girante con pale rivolte in avanti risulta molto penalizzato. Inoltre le macchine con pale rivolte all'indietro hanno vantaggi significativi in termini di stabilità di funzionamento. In definitiva l'impiego delle macchine operative radiali prevede: giranti con pale rivolte in avanti per i ventilatori (che hanno la funzione di aumentare l'energia cinetica); giranti con pale radiali per i compressori molto veloci (in quanto più adatte a resistere alle forti sollecitazioni); giranti con pale rivolte all'indietro per tutti gli altri compressori radiali.