Appunti del corso di Azionamenti a fluido

Produzione dell'aria compressa

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". I 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. È 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.

Figura 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.

I compressori

I compressori si possono definire come macchine atte a produrre aria compressa. Fra le caratteristiche dei compressori sono da evidenziare:

• Il rapporto di compressione che è dato dal rapporto tra la pressione assoluta di mandata P e la pressione assoluta di aspirazione P₁.
• 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.
• 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:

• 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).
• 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: 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.
• 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.

Figura 2.2 - Schema compressore alternativo 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
• Fino a 15 bar a due stadi
• Oltre i 15 bar a tre o più stadi

I 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.

Figura 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. I 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.

Figura 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.

Figura 2.5 - Schema compressore rotativo a vite elicoidale

Il compressore rotativo a lobi tipo Root trasporta 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.

Figura 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 di sotto 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.

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.

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.

Figura 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