Appunti del corso di Azionamenti a fluido

PRODUZIONE DELL'ARIA COMPRESSA

2.1 Centrale di compressione

Benché la produzione dell'aria compressa e relativo trasporto non sia strettamente

legato alla Automazione Pneumatica, si ritiene utile dare dei cenni sull’argomento.

Per la generazione dell'aria compressa sono necessarie delle macchine che

comprimano l'aria, prelevata dall'atmosfera, alla pressione di lavoro, che, come ben noto,

prendono il nome di "compressori". l compressori e le diverse apparecchiature occorrenti

per la produzione dell'aria compressa (vedasi fig. 2.1) sono, di norma, raggruppati in un

locale apposito, possibilmente isolato acusticamente ed in diretto collegamento con

l'ambiente esterno da cui deve essere prelevata l'aria da comprimere. E' sempre utile

prevedere un impianto sovradimensionato per un eventuale ampliamento dell'utenza e un

compressore di riserva per far fronte ad eventuali guasti o ai periodi di manutenzione del

compressore principale.

fig. 2.1 Schema di una stazione di compressione

L'aria viene aspirata dall'ambiente esterno tramite il filtro di aspirazione 1 e viene

compressa dal compressore 2. Segue una unità di refrigerazione 3 con relativo separatore

e scaricatore automatico di condensa. Questa unità di refrigerazione può essere ad acqua

o ad aria secondo gli impianti. Un serbatoio polmone 4 serve all'accumulo di aria

compressa e un filtro disoleatore 8, dotato di scaricatore automatico, serve per la costante

eliminazione dell'olio separato (tale accessorio non è presente negli impianti che usano

compressori non lubrificati). Con 6 è indicato un essiccatore che serve all'eliminazione del

residuo vapore d'acqua. l'essiccatore è fornito di valvole di esclusione 9 e 10 e di linea di

by-pass 5. Vi è infine un filtro finale 7 che ha lo scopo di trattenere polveri e particelle

aspirate o prodotte nel sistema stesso.

La costruzione di una centrale di compressione richiede delle spese d'installazione non

indifferenti per tubazioni, linee elettriche, fissaggio dei basamenti dei compressori e degli

accessori, spese che sono completamente perse in caso di spostamento dell'impianto.

Tutto questo viene evitato se il compressore e i gruppi accessori (fino al serbatoio e al

filtro disoleatore) sono montati in un'unica unità su basamento (package) che non richiede

fissaggio al terreno e che può essere trasferito con facilità. Questa soluzione porta ad

avere unità di compressione completamente autonome, che possono anche essere

silenziate da pannelli isolanti e piazzate senza problemi negli stessi luoghi di utilizzazione.

2.2 I Compressori

I compressori si possono definire come macchine atte a produrre aria compressa. Fra le

caratteristiche dei compressori sono da evidenziare:

1) il rapporto di compressione che è dato dal rapporto tra la pressione assoluta di

β.

mandata P e la pressione assoluta di aspirazione P ed è indicato con

1 0

10

2) la portata teorica che è data dal prodotto della cilindrata (intesa come cilindrata al giro)

per il numero dei giri nell'unità di tempo dell'albero motore.

3) la portata effettiva è la portata che realmente il compressore fornisce e viene espressa

come indicato per la portata teorica, la differenza fra le due è data dal coefficiente di

riempimento o rendimento volumetrico.

La pressione che va distinta in:

1) Pressione d'esercizio: è la pressione dell'aria nel serbatoio che dovrà alimentare le

tubazioni della rete di distribuzione e che, normalmente, è fissata in un campo che va

da 0,7 MPa a 1 ,4 MPa (7-14 bar).

2) Pressione di lavoro: è la pressione necessaria alla utilizzazione; normalmente è di 0,6

MPa (6 bar) essendo questa la pressione richiesta per il funzionamento dei

componenti pneumatici.

I compressori utilizzati possono essere classificati in:

-TURBOCOMPRESSORI

-COMPRESSORI VOLUMETRICI

I turbocompressori tramite delle pale trasferiscono energia meccanica al fluido, energia

che si ritrova sotto forma di energia cinetica e di pressione, oltre che sotto forma di energia

termica. I turbocompressori che non saranno trattati in questa sede, per lo studio dei quali

si rimanda ai corsi di macchine, si dividono in compressori centrifughi ed assiali.

I compressori VOLUMETRICI sono essenzialmente dei trasferitori di massa, che

prelevano una certa massa dall’ambiente di aspirazione e, dopo averla inglobata in una

opportuna camera definita dalla macchina, la trasferiscono nell’ambiente di mandata,

pertanto la pressione di mandata non è definita dal compressore, ma dalla pressione

regnante nell’ambiente di mandata. I compressori volumetrici si suddividono in alternativi e

rotativi ed i più diffusi sono:

ALTERNATIVI

a pistone, a membrana

ROTATIVI

a palette, a vite elicoidale, a lobi tipo Root

I suddetti compressori sono quelli più usati nelle applicazioni industriali in cui la

pressione di mandata dell'aria è compresa fra 0,6 e 1,4 MPa (6-14 bar), quale quella

utilizzata negli impianti di automazione pneumatica.

Fig. 2.2 - Schema compressore alternativa a pistone

Il Compressore alternativo a pistone è il tipo di compressore più usato. Si adatta a

tutti i range di pressione; per la generazione di alte pressioni si utilizzano, normalmente,

compressori a più stadi:

fino a 10 bar ad uno stadio 11

fino a 15 bar a due stadi

oltre i 15 bar a tre o più stadi.

l compressori alternativi a pistoni possono essere costruiti con raffreddamento sia ad

aria che ad acqua.

Il Compressore alternativo a membrana (vedasi fig. 2.3) usa un cilindro con una

membrana elastica al posto del pistone; è impiegato per piccole portate e, per la sua

costruzione, fornisce aria compressa priva di olio, pertanto, è utilizzato nell'industria

alimentare, farmaceutica e chimica.

Fig. 2.3 - Schema compressore alternativo a membrana.

Il Compressore rotativo a palette (vedasi fig. 2.4) è costituito da un involucro cilindrico

nell'interno del quale ruota eccentricamente un tamburo sul cui corpo sono praticate delle

scanalature radiali. In dette scanalature scorrono sottili lamine di acciaio tenute a contatto

con la parte statorica dalla forza centrifuga che si sviluppa durante la rotazione. Hanno

minimo ingombro nonché un funzionamento silenzioso. l compressori rotativi hanno il

vantaggio di non avere valvole né sull'aspirazione né sulla mandata.

Questo principio di funzionamento ha trovato ampia applicazione anche nei motori

pneumatici. Fig. 2.4 - Schema compressore rotativo a palette

Il Compressore rotativo a vite elicoidale è costituito (vedasi fig. 2.5) da due rotori che

si intersecano uno nell'altro (stesso passo ma inclinazione del profilo della vite opposta).

Solitamente sono a bagno di olio per raffreddare l'unità durante il suo esercizio, oltre che

per la lubrificazione degli stessi. 12

Fig 2.5 - Schema compressore rotativo a vite elicoidale

Il Compressore rotativo a lobi tipo Root trasportano l'aria da un lato all'altro senza

che sia modificato il volume (vedasi fig. 2.6). La tenuta è assicurata dal mantenimento dei

giochi minimi, tra parte fissa e parte mobile. Non abbisognano di lubrificazione, pertanto

l'aria non è contaminata dall'olio.

Fig. 2.6 - Schema compressore rotativo a lobi tipo Root

La scelta del compressore da impiegare per le automazioni pneumatiche è, solitamente,

limitata al tipo alternativo a pistoni ed a quello rotativo a vite elicoidale. Il tipo a vite

elicoidale è preferito quando le portate assorbite sono notevoli ed abbastanza costanti. In

generale però la preferenza è data ai compressori a pistoni perché hanno un rendimento

elevato, larga possibilità di regolazione; servizio prolungato per parecchi anni e sempre in

eccellenti condizioni di sicurezza.

La stima della portata totale dei compressori si effettua addizionando i consumi previsti

per le macchine che impiegano l'aria compressa. Per il consumo dei cilindri è facile

effettuare il calcolo, mentre vi sono opportune tabelle per individuare i consumi di diversi

utensili. Il consumo indicato rappresenta il consumo medio per un funzionamento continuo

ma ciò non avviene mai avendosi, nella maggiore parte dei casi, un funzionamento

intermittente che però è diverso da apparecchiatura a apparecchiatura. Per tener conto del

suddetto funzionamento discontinuo si moltiplica il valore dato per un coefficiente empirico

detto "fattore di uso". La stima del consumo totale risultante deve essere aumentata di un

margine di sicurezza dell'ordine del 20- 30% per piccole e medie installazioni (cioè fino a

100 kW), per insediamenti più grandi il margine di sicurezza può essere ridotto, ma senza

scendere al disotto del 10%. Il margine di sicurezza è indispensabile affinché

l'installazione possa rispondere alle punte di consumo senza che il buon funzionamento o

il rendimento degli utensili venga ad essere compromesso da un abbassamento di

pressione. 13

Determinata la portata totale necessaria rimane da scegliere il numero di unità da

installare ossia la loro portata unitaria. Abitualmente ci si orienta a suddividere la portata in

due compressori per garantire la portata al 50% in caso di avaria di uno di essi, ed

eventualmente si aggiunge un terzo compressore di riserva così da garantire sempre la

portata al 100%.

Un'installazione di compressione è costituita da uno o più compressori che mandano

aria compressa in uno o più serbatoi, i quali alimentano una rete di distribuzione dell'aria ai

diversi utilizzatori. Se il consumo della rete è inferiore alla portata del/dei compressore/i la

pressione in rete tende a salire; nel caso contrario essa scende. È pertanto necessario

che i compressori siano equipaggiati con un sistema di regolazione che agisca sulla loro

portata, in modo da mantenere la pressione del serbatoio fra due limiti, uno superiore e

l'altro inferiore. Tali sistemi utilizzano la pressione esistente nel serbatoio come segnale di

comando, essi provocano una diminuzione della portata quando la pressione cresce ed un

aumento quando cala.

2.3 Impianto di produzione aria compressa

Un impianto di produzione di aria compressa è, di norma, costituito dai dispositivi

illustrati, con le relative simbologie, nella fig. 2.7.

Fig. 2.7 - Simbologia impianto produzione aria compressa.

Filtro di aspirazione

Il ruolo del filtro di aspirazione è di primaria importanza tenuto conto che durante la fase

di compressione l’aria diminuisce notevolmente di volume per cui tutte le sostanze

estranee contenute in un volume molto più grande vengono concentrate in un volume

molto