Modulo 0.3: Richiami di componentistica. Scaricatori di condensa

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1 Corso di Impianti Meccanici Laurea Triennale e Magistrale Modulo 0.3: Richiami di componentistica Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Ing. Marco Pellegrini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

2 Problema di formazione della condensa Un problema non trascurabile negli impianti di compressione gas è relativo alla condensazione del vapore (ad esempio, presente nell aria). Bisogna assolutamente evitare che delle goccioline di acqua arrivino al secondo stadio di compressione o agli utensili pneumatici perché, a causa della natura incomprimibile dell acqua, si avrebbe la rottura del cilindro o degli utensili. La condensa che si forma viene quindi separata grazie a separatori ed eliminata dal circuito tramite gli scaricatori di condensa. L aria è una miscela di gas, composta principalmente da: azoto, ossigeno, anidride carbonica, gas nobili e vapor d acqua. Per la legge di Dalton, la pressione totale esercitata da una miscela di gas ideali, è pari alla somma delle pressioni parziali dei singoli componenti. La pressione parziale di un componente è quella che sarebbe esercitata dal singolo gas se fosse presente da solo in egual volume. Il vapore contenuto in aria condensa quando vengono raggiunte le condizioni di saturazione, ovvero quando ad una certa temperatura, la pressione parziale del vapore eguaglia la pressione di condensazione relativa a quella temperatura. 2

3 Diagramma di Mollier per l acqua Es: con una pressione di 1 bar il vapore condensa a 100 C con una pressione di 74 mbar il vapore condensa a 40 C Le grandezze specifiche sono riferite al kg di acqua T [ C] 0, p sat [kpa] 0,6113 0,8721 1, ,339 3,169 4,246 5,628 7,384 9,593 T [ C] p sat [kpa] 12,349 15,758 19,940 25,03 31,19 38,58 47,39 57,83 70,14 84,55 3

4 Calcolo della condensa da rimuovere pv = RT v a = R a T a p v v v = R v T v a = aria secca v = vapor d acqua x = ρ v ρ a = kg v Τm 3 kg a Τm 3 = kg v kg a (titolo di vapore) T v = T a = T R v = R 0 μ v, μ v = 18 kg/kmol R a = R 0 μ a, μ a ω 02 μ 02 + ω N2 μ N2 = 0, ,77 28 = 28,92 kg/kmol p v v a v v = R 0 μ a μ v R 0 T T p v ρ v ρ a = μ v μ a x = μ v μ a p v = 18 28,92 p v = 0,622 p v φ = P v P sat (T) x = 0, 622 φ p sat (T) p φ p sat (T) p = pressione totale dell aria umida 4

5 La temperatura raggiunta dall aria a seguito del raffreddamento determina la pressione di saturazione del vapore. Entrambe le grandezze sono pertanto note. Anche la pressione dell aria compressa è nota. Se conoscessi il grado igrometrico, sarebbero noti anche gli x grammi di vapore contenuti nell aria compressa che, confrontati con gli x 0 grammi di vapore iniziale, determinano la quantità di acqua che condensa. Se all uscita di uno stadio di compressione, ad esempio, la pressione dell aria risulta triplicata, secondo la legge di Dalton lo stesso accade alla pressione parziale del vapore. Le elevate temperature di fine compressione sono però tali da determinare una elevata pressione di saturazione del vapore, maggiore rispetto alla sua pressione parziale (φ<1). D altro canto, l aria all uscita dallo stadio di compressione viene solitamente raffreddata sotto i 40 C: raffreddando l aria (e quindi anche il vapore), la pressione di saturazione del vapore cala (l aria può contenere meno vapore). Quando pressione parziale e pressione di saturazione del vapore si eguagliano, inizia a formarsi della condensa (φ=1). Pertanto, a valle dello scambiatore di calore possiamo raggiungere le condizioni di saturazione: φ = 1. x = 0, 622 p sat (T) p p sat (T) 5

6 x sat = 0, 622 p sat (T) p p sat (T) Nel secondo stadio di compressione l aria entra in condizioni di saturazione (situazione limite per evitare che delle goccioline arrivino nel cilindro) per essere compressa. Tuttavia, l aumento di temperatura dovuto alle perdite ed alla compressione fa aumentare la pressione di saturazione del vapore allontanando l aria dalle condizioni di saturazione. Anche nel serbatoio d accumulo e lungo la rete di distribuzione si ha l estrazione di condensa: difatti, l aria, che si trova in condizioni di saturazione, può condensare per effetto della diminuzione della temperatura del sistema (ad esempio, non perfetta coibentazione e perdita di calore con l ambiente esterno), che comporta una diminuzione della pressione di saturazione. Questo effetto è bilanciato dalle perdite di carico lungo il circuito, che comportano una diminuzione della pressione e, quindi, un allontanamento dalle condizioni di saturazione. 6

7 Separatore di condensa Il separatore di condensa è un separatore inerziale. All interno del separatore vi è un setto intermedio che separa ingresso e uscita. L aria è costretta a transitare attraverso settori circolari: le goccioline sospese soggette a forza centrifuga vanno a collidere con le pareti e vengono separate. Il film liquido che si forma viene raccolto verso il basso e arriva allo scaricatore di condensa. Il separatore di condensa deve essere sovradimensionato per permettere l estrazione di condensa in qualunque situazione (es: a seguito di un calo generale della temperatura dell aria compressa in rete). La presenza di un separatore di condensa, pur essendo indispensabile, penalizza il rendimento dell impianto (perdite di carico). 7

8 Scaricatore di condensa Un piccolo galleggiante apre la luce di scarico quando la condensa raccolta raggiunge un certo livello. Problema dell invaso: se il condotto tra separatore di condensa e scaricatore di condensa è troppo piccolo, si possono formare dei tappi di aria che impediscono alla condensa di scendere verso lo scaricatore (la pressione dell aria è pari alla pressione di rete più il battente di acqua condensata che cerca di raggiungere lo scaricatore). Per evitare ciò si utilizza il tubo equilibratore che libera l invaso di aria e fa in modo che l acqua possa scendere. Condotti di scarico troppo grandi, comportano una fuoriuscita di aria compressa non trascurabile dato che il salto di pressione tra l aria contenuta nello scaricatore di condensa e l ambiente può raggiungere gli 8-9 bar. 8