La composizione dell'aria è quasi uguale fino circa 20 Km di altezza. Pressione atmosferica: É la pressione indotta dal peso dell'aria e, nel sistema
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- Rosina Bonetti
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1 Impianti pneumatici Scopo di un impianto pneumatico è la produzione di aria compressa impiegata negli azionamenti pneumatici come elemento intermedio nella produzione di energia meccanica. La materia utilizzata negli impianti pneumatici è aria atmosferica, una miscela di gas. 78% di azoto; 21% di ossigeno; 1% altri gas;
2 La composizione dell'aria è quasi uguale fino circa 20 Km di altezza. Pressione atmosferica: É la pressione indotta dal peso dell'aria e, nel sistema internazionale, vale a livello del mare 1 bar alla temperatura di 20 C. Quella misurata dagli strumenti è la pressione relativa. La pressione assoluta è la somma tra relativa e atmosferica.
3 Misure Negli impianti pneumatici e oleoidraulici le misure che vengono piú frequentemente utilizzate riguardano le seguenti grandezze: Pressione; Portata; Temperatura; Posizione;
4 Pressione Per le misure di pressione si utilizzano dei manometri che possono essere: di tipo meccanico quando il funzionamento è basato su una misura fisica diretta della pressione (il manometro a colonna di liquido). Sono costituiti da un tubo (di solito trasparente) curvato ad U, e riempito di un liquido di densitá nota.
5 La pressione entro i recipienti viene invece misurata con (il manometro a molla o Bourdon).É costituito da un piccolo tubo ricurvo di metallo, chiuso ad una estremità, entro il quale si fa entrare il gas di cui si vuole misurare la pressione. La deformazione del tubo soggetto alla pressione in misura viene trasmessa ad un indice che si sposta su una scala graduata.
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7 Portata Le misure di portata vengono effettuate utilizzando : Contatori volumetrici; es. contatore gas in m 3. Turbine;es. turbina. Flussimetri.
8 Flussimetri, sono costituiti da un tubo di vetro o altro materiale trasparente,dentro il quale vi è un corpo, cilindro-conico o sferico di diametro leggermente inferiore a quello minimo del tubo, detto impropriamente galleggiante. Se il tubo viene posto in posizione verticale, con il diametro interno maggiore in alto, ed il fluido la cui portata si vuole misurare entra dal basso, si esercita sul galleggiante una pressione che dipende dalla forma e dalla velocità del fluido nella corona circolare tra tubo e galleggiante stesso. La pressione decresce all'aumentare della sezione di corona circolare che resta libera, e si raggiunge un equilibrio che dipende dalla velocità (e dalla caratteristiche fisiche) del fluido.
9 Termometri elettrici a termocoppia e a resistenza.
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11 Misure di temperatura Per le misure di temperatura vengono utilizzati dei termometri: Tradizionali (in vetro a colonna d`alcol o di mercurio).
12 Misure di posizione Per le misure di posizione si impiegano i sensori di posizione utilizzati per individuare le posizioni della corsa dei cilindri
13 L'aria atmosferica contiene vapore acqueo che ne determina il livello di umidità ; la quantità di vapore acqueo che può essere trattenuta, a parità di volume, dipende dalla temperatura e decresce con il diminuire della medesima. Quando la pressione aumenta, come negli impianti pneumatici, si formerà della condensa perché una parte di vapore acqueo che può essere trattenuto alla pressione atmosferica, non può essere trattenuto in un volume ridotto; tale condensa deve essere rimossa prima di essere distribuita in rete.
14 Un impianto pneumatico e le apparecchiature a esso connesse funzionano in modo corretto solo se l'aria compressa prodotta soddisfa a determinati requisiti di qualità relativi a: Portata; Pressione; Contenuto d'acqua; Contenuto d'olio; Contenuto d'impurità;
15 Un impianto pneumatico è costituito essenzialmente dai seguenti elementi: Centrale di compressione; Rete di distribuzione; Utilizzatori;
16 Schema di una centrale di compressione
17 Lo schema proposto e normalmente utilizzato per gli impianti pneumatici, viene denominato distribuzione a ciclo aperto in quanto l aria, dopo aver alimentato gli utilizzatori, viene scaricata, nell ambiente.
18 Schema della centrale realizzato con i simboli della pneumatica
19 Schema di una centrale con simboli pneumatici
20 Filtri I filtri eliminano le impurezze presenti nell aria; nell impianto sono presenti con funzioni differenti : filtro di aspirazione; filtro disoleatore; filtro finale;
21 Filtro di aspirazione Il filtro di aspirazione, posto all ingresso dell impianto, serve per prelevare l aria dall ambiente esterno ed eliminare le impuritá in essa presenti( es. gas di diversa natura, acqua, polvere, sabbia, fuliggine). Il filtraggio viene effettuato per evitare danni alle macchine e alle apparecchiature utilizzate.
22 Un buon filtro deve assicurare : a) elevato potere di separazione per trattenere le particelle inquinanti ; b) una buona capacitá di accumulo per prolungare gli intervalli tra due puliture; c) una bassa resistenza al passaggio dell aria. (bassa caduta di pressione). d) Resistenza alle vibrazioni.
23 Tipologie di filtri
24 Filtro a maglie metalliche umettato d olio È un filtro a labirinto in cui il flusso d aria é obbligato a cambiare rapidamente direzione di attraversamento dell elemento filtrante. Le particelle di polvere sospese nell aria si separano aderendo sulle superfici oleate del filtro. Per garantire la massima efficienza è necessaria una manutenzione accurata in quanto l olio con il tempo si asciuga e l elemento filtrante tende ad intasarsi. È utilizzato per compressori di piccola portata che aspirano aria pulita
25 Filtro a bagno d olio E caratterizzato da superfici attive continuamente bagnate d olio. Il flusso dell aria dopo aver sfiorato la superficie dell olio, viene invertito, mentre l olio trattiene la maggior parte delle particelle presenti nell aria. L olio circola all interno del filtro in modo che le particelle in sospensione si depositino sul fondo della coppa. Hanno grande capacità di accumulo e richiedono una pulitura periodica e sostituzione dell olio.
26 Filtro di feltro E caratterizzato dalla presenza di un elemento filtrante costituito da un feltro ondulatorio e irrigidito da una rete metallica in modo da aumentare la superficie filtrante a parità di ingombro. Hanno un ottimo potere separatore e devono essere puliti frequentemente inviando aria in senso opposto alla normale direzione dell impianto.
27 Filtro disoleatore Posto immediatamente dopo il serbatoio, ha la funzione di separare l olio derivato dalla lubrificazione dei compressori; non è presente nell impianto quando la lubrificazione non è necessaria.
28 Filtro finale Serve per purificare l aria da impurezze aspirate e non eliminate in precedenza o prodotte nell impianto stesso
29 Compressore L aria compressa viene prodotta mediante l uso di un compressore, una macchina operatrice che, azionata da un motore elettrico, aspira l aria filtrata la comprime fino ad arrivare alla pressione occorrente per inviarla alla rete di distribuzione.
30 Le grandezze che contraddistinguono un compressore si riferiscono alla pressione e alla portata. Per quanto riguarda la pressione vengono definite : la pressione di aspirazione( misurata all ingresso del compressore); la pressione di mandata ( misurata all uscita del compressore); Il rapporto di compressione (inteso come il rapporto tra pressione di mandata e pressione di aspirazione).
31 Per quanto riguarda la portata, che di solito viene espressa in m 3 /s, vengono in particolare definite: la portata di aspirazione; la portata alla mandata. Per individuare la portata del compressore deve essere noto il consumo delle macchine che utilizzano l aria compressa. Questo deve avvenire tenendo conto di due fattori
32 1)Il funzionamento delle apparecchiature è solitamente discontinuo e pertanto si devono utilizzare dei coefficienti correttivi. 2) Si deve considerare un margine di sicurezza per far fronte a punte di consumo senza compromettere il funzionamento dell impianto stesso a causa di una pressione inferiore al normale.
33 Molto comunemente si sceglie di suddividere la portata in parti uguali tra due compressori in modo tale da garantire il funzionamento dell impianto in caso di guasto; per garantire sempre la massima portata si deve utilizzare un compressore di riserva.
34 Compressori multistadio La compressione puó avvenire in due o piú stadi intervallati da una fase di raffreddamento che si attua impiegando scambiatori di calore ad acqua o ad aria; in figura viene riportata una rappresentazione schematica di un compressore a due stadi.
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36 Tecnologie costruttive Dal punto di vista della tecnologia costruttiva i compressori possono essere : Volumetrici, quando l aria viene compressa riducendone il volume; Dinamici (turbocompressori), quando l energia cinetica dell aria posta prima in movimento viene trasformata poi in pressione. Non sono di particolare interesse per applicazioni pneumatiche.
37 I compressori volumetrici producono pressioni tra 6 e 14 bar,di interesse per le applicazioni pneumatiche si suddividono in: Compressori alternativi(a pistone o a membrana); Compressori rotativi (a palette,a vite elicoidale,a lobi).
38 Compressori alternativi a pistone I compressori alternativi a pistone sono costituiti essenzialmente da un cilindro al cui interno scorre un pistone. Sulla parte superiore il cilindro viene chiuso da una piastra con due aperture provviste di valvole. Le due aperture consentono rispettivamente l ingresso e l uscita dell aria in quanto comunicanti con due condotti denominati condotto d aspirazione e condotto di mandata.
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40 Le fasi di funzionamento di questi compressori sono due e si ripetono alternativamente: Nella fase di aspirazione viene aperta la valvola corrispondente al condotto di aspirazione mentre l altra è chiusa; Nella seconda fase viene aperta la valvola corrispondente al condotto di mandata mentre l altra è chiusa;
41 Possono essere costruiti con raffreddamento sia ad aria sia ad acqua. Si adattano per: Pressioni basse fino a 1 bar a uno stadio; Pressioni medie fino a 15 bar due stadi; Pressioni alte oltre i 15 bar a tre stadi;
42 Rappresentazione di un compressore alternativo a pistone a due stadi.
43 Compressori rotativi a vite elicoidale Sono costituiti da due rotori sagomati con profilo elicoidale che, intersecandosi l uno nell altro, ruotano in senso inverso attorno a due assi paralleli. I due rotori, sono sagomati in modo tale che i due profili hanno lo stesso passo ma diversa inclinazione.
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45 Dei due rotori, uno è provvisto di sporgenze (lobi), l altro di rientranze (scanalature). Nello spazio compreso tra lobi e scanalature si forma un vano che trattiene l aria (camera di compressione). L aria entra nella camera di compressione quando i due rotori sono posizionati in un modo da lasciare scoperto l ingresso. L aria trattenuta nella camera di compressione e ridotta di volume nel corso della rotazione, esce dall estremità opposta quando i due rotori sono posizionati in modo da lasciare scoperta l uscita.
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47 Regolazione della portata In un impianto, per alimentare i diversi utilizzatori, possono coesistere piú compressori che fanno confluire l aria in uno o piú serbatoi e questi alla rete di distribuzione. Se le richieste della rete sono inferiori alla portata del compressore (o dei compressori) si ha una tendenza all aumento della pressione in rete; se le richieste sono superiori si ha la tendenza opposta.
48 Si rende conto per questo motivo una regolazione della portata del compressore che mantenga la pressione nel serbatoio entro due valori limite. 1) Quando nel serbatoio viene raggiunta la pressione massima impostata, un contatto elettrico attivato da un pressostato(rilevatore della pressione) interrompe l alimentazione al motore arrestando il compressore.
49 2) Quando nel serbatoio viene raggiunta la pressione minima il pressostato riattiva il circuito elettrico del motore riavviando il compressore.
50 Il disegno illustra schematicamente il funzionamento del pressostato. (A)Con pressione bassa il pressostato è in condizioni di riposo e il contatto elettrico è chiuso (compressore acceso). (B) All aumentare della pressione la membrana mette in movimento il sistema di leve. La leva che supporta il contatto elettrico (leva 1) rimane ferma, fino a quando la leva che la comanda (leva 2) oltrepassa il perno della leva 1. Ora il contatto elettrico è aperto(compressore spento).
51 Refrigeratore Il refrigeratore si trova a valle del compressore è indispensabile per raffreddare l aria che si trova a temperature elevate dopo la fase di compressione, con lo scopo di evitare sollecitazioni termiche nelle condutture di distribuzione e la formazione di condensa.
52 In assenza del refrigeratore l aria surriscaldata confluirebbe direttamente nella rete raffreddandosi lungo il percorso; con l abbassarsi del punto di rugiada il vapore acqueo condenserebbe nelle tubazioni scorrendo verso gli utilizzatori. I refrigeratori possono essere : 1) a circolazione d acqua; 2) a circolazione d aria; 3) a ciclo frigorifero;
53 Un esempio di sistema di raffreddamento dell aria ottenuto immettendo la stessa(fluido da raffreddare) in un fascio di tubi lambiti esternamente da acqua (mezzo refrigerante) alla minima temperatura possibile. L acqua di condensa si raccoglie in un apposito separatore.
54 Fig. Sistema di raffreddamento
55 Fig. struttura completa del refrigeratore con separatore
56 Fig. struttura interna separatore
57 Serbatoio A valle del refrigeratore finale si installa un serbatoio che ha le seguenti funzioni. Assicurare alla rete una portata d aria e una pressione all incirca costanti. Interrompere il funzionamento del motore del compressore per tempi che dipendono dall andamento dei consumi di aria compressa, fornendo nel contempo all impianto aria sufficiente. Favorire la separazione di condensa per il fatto che l aria entra nella parte bassa del serbatoio ed esce dalla parte alta.
58 Le impuritá mescolate all aria in arrivo dal compressore si depositano sul fondo del serbatoio e vengono scaricate a intervalli regolari per mezzo di una valvola automatica di scarico posta sul fondo del medesimo. La pressione dell aria nel serbatoio che alimenta le tubazioni della rete di distribuzione assume valori compresi tra 7 bar e 14 bar; sono valori superiori alla pressione di lavoro, la pressione per il funzionamento dei componenti pneumatici che normalmente é di 6 bar.
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60 Capacitá del serbatoio Dipende dalla portata del compressore, è può essere calcolata con sufficiente approssimazione dividendo per 60 il valore della portata. Es. se un compressore alternativo ha una portata di 50 m 3 / h, il serbatoio posto a valle deve avere almeno una capacità di almeno 0,83 m 3 (830 litri) si può scegliere una capacita standard di 1000 L.
61 La capacità di un serbatoio associato a compressori rotativi provvisti di regolazione in aspirazione può essere calcolata con sufficiente approssimazione dividendo per 600 il valore della portata. Supponendo la portata al caso precedente, il serbatoio associato a un compressore rotativo deve avere una capacità di almeno 83 litri; si può scegliere una capacità standard di 100 l. I serbatoi superiori a 25 l sono sottoposti a collaudo dagli enti preposti alla prevenzione e sicurezza sul lavoro.
62 Essiccatori L aria che esce dal serbatoio ha di solito un punto di rugiada non inferiore a 30 C, immessa a tale temperatura può provocare, all interno della rete la formazione di quantità di condensa trascurabile. Per evitare questo fenomeno si ricorre a impianti di essiccamento che riducono l umidità contenuta nell aria compressa. L'essiccatore è provvisto di linea di by-pass e di valvole di esclusione.
63 I sistemi di essiccazione utilizzati sono: a refrigerazione; a adsorbimento; a deliquescenza;
64 A refrigerazione Gli essiccatori a refrigerazione devono il loro funzionamento al principio che la quantitá di condensa separata aumenta al diminuire della temperatura. All essiccamento provvedono due scambiatori di calore nelle quali lo scambio avviene rispettivamente tra aria e aria e tra aria e fluido refrigerante. Un separatore di condensa provvede ad eliminare la condensa formatasi a seguito dell essicamento.
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66 A adsorbimento Sfruttano il principio di alcuni materiali essiccanti(allumina attivata,gel di silice, o carbone attivo), se vengono attraversati da aria umida, bloccano il vapore d acqua ma non l aria. Una volta saturi devono essere sottoposti a opportuni procedimenti di essiccazione. Per garantire la continuitá di funzionamento sono formati da due colonne che funzionano alternativamente, mentre una colonna essicca l aria fino alla saturazione, l altra viene rigenerata.
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68 A deliquescenza Sono costituiti da un recipiente a pressione all interno del quale, sopra una piastra perforata di supporto, è contenuto il materiale deliquescente. Quest ultimo a contatto con l umiditá presente nell aria da essiccare, si scioglie lentamente depositandosi sul fondo del serbatoio;il materiale deliquescente deve essere periodicamente rinnovato.
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70 Rete di distribuzione La rete di distribuzione trasferisce il fluido dalla sorgente di alimentazione alle utenze con funzione di controllo e regolazione ;essa è costituita da un insieme di tubazioni (con funzione di trasporto) e di valvole (con funzione di controllo).
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72 La centrale solitamente viene posizionata in apposito locale provvisto di isolamento acustico
73 L aria compressa viene distribuita ai punti di utilizzo attraverso delle tubazioni principali provviste di derivazioni. Le tubazioni devono essere dimensionate in modo tale che, anche nel punto piú distante, il flusso d aria mantenga le caratteristiche di portata e pressione essendo ammessa una caduta di pressione massima di 0,3 bar. Le tubazioni dell aria compressa devono assumere una colorazione azzurra. Possono essere disposte orizzontalmente o verticalmente, a parete o a pavimento in relazione alla disposizione degli utilizzatori.
74 Nella posa delle tubazioni si deve tenere conto del fatto che: devono essere inclinate nel senso del passaggio dell aria nella misura dell 1%-2%; devono essere presenti lungo il tracciato dei pozzetti per la raccolta della condensa; devono essere previste delle valvole di esclusione con lo scopo di isolare alcuni tratti d impianto e poter effettuare delle operazioni di manutenzione senza togliere l aria all intera rete.
75 Tipologie di rete La rete di distribuzione puó essere realizzata secondo tre differenti modalitá che, vengono denominate rispettivamente: in linea; ad anello; in parallelo;
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