Corso completo energy efficiency in compressed air systems

CONSIDERAZIONE GIUNTI, GOMITI, RACCORDI IN GENERALE AI FINI DI UNA CORRETTA PRESSIONE DI ESERCIZIO?

IL FATTORE DI SIMULTANEITÀ è un valore empirico. Si basa sull'esperienza che non tutti i consumatori operano

contemporaneamente quando sono in uso consumatori di aria compressa dello stesso tipo.

LEZIONE 5 – I COMPRESSORI ED IL CONTROLLO DELLA PRESSIONE

Per comprimere un gas si può:

(1) chiudere un gas in un certo volume e diminuire il volume in modo da aumentarne la pressione e successivamente

espellerlo;

(2) racchiudere successive quantità di gas in un dato volume, condurlo fino alla sezione in uscita o mandata e

comprimerlo mediante la contropressione del sistema connesso con la mandata e successivamente espellerlo;

(3) comprimere gas tramite azione meccanica di giranti/rotori sagomati opportunamente, in modo da impartire al

fluido velocità e pressione;

(4) convogliare del gas in un getto dello stesso (o di altro gas) e convertire l'elevata velocità del miscuglio in

pressione mediante diffusore;

I primi due sono metodi intermittenti, i secondi continui. Si fa riferimento qui a 2 categorie di compressori:

• Compressori volumetrici (positive displacement), dove la compressione è data da movimenti meccanici ben definiti

che riducono il volume della camera dove viene racchiuso il gas da comprimere (metodi 1 & 2).

• Compressori dinamici (dynamic compressors), dove la compressione si ha per via della velocità che si riesce ad

imprimere al gas (metodo 3) COMPRESSORI A VITE

Macchine volumetriche rotanti: con due rotori controrotante e

intrappolamento dell'aria in uno spazio volumetrico fisso. Sono

macchine che lavorano a volume costante e pressione

variabile, anche se la migliore efficienza si verifica alla

pressione nominale (o pressione di progetto, per questo tipo di

macchine un valore tipico è compreso tra 0,5 e 1 MPar).

L'albero è collegato al rotore principale e può capitare che il

secondario sia o senza contatto trasportato dal primario o sia

trascinato da un ingranaggio, sincronizzando il primario e il

secondario. Il tipo più diffuso tra i compressori a vite è a

singolo stadio, lubrificato. La differenza principale con quelli oil-free è che i compressori lubrificati iniettano olio

direttamente nella camera di compressione e questo viene fatto per scopi diversi:

• tiene pulito il gruppo vite (airend),

• raffredda il processo asportando calore,

• lubrifica, sigilla e protegge.

GAMMA OPERATIVA DI COMPRESSORI STAZIONARI

Portata volumetrica: 2-85 m3/min

(Compressore monostadio): fino a 1 MPa (g)

(Compressori a doppio stadio): fino a quasi 3 MPa(g)

A seconda del tipo di compressione realizzata dal compressore, il grafico

mostra il range di variabilità della portata in uscita e della pressione.

Si noti che il flusso/portata fornito da un compressore alternativo può essere

considerata abbastanza costante su un range di pressioni operative abbastanza

ampio.

Diversamente per quelli centrifughi che sono in grado di fornire all’interno di

un ristretto range di pressioni una più vasta variazione della portata.

CONTROLLO DELLA PRESSIONE

OBIETTIVO: per mantenere la pressione dell'impianto intorno ad un valore operativo, ma anche per ottimizzare i

consumi energetici nelle sale compressori, è possibile utilizzare diversi schemi di controllo. Possono essere applicati

sia a singolo compressore che ad un gruppo di essi. Operano alla pressione di sistema (il valore di esercizio della rete

aria compressa.), mantenendolo tra due soglie: un Upper Bound -UB- e un Lower Bound -LB- (il cosiddetto range di

controllo). Sono progettati per diminuire o arrestare l'uscita (flusso) del compressore quando la pressione raggiunge

l'UB e per far funzionare il compressore quando il livello di pressione scende fino al LB.

Una sala esercita a 0.7 MPa r (7 bar o 8 bar ) può includere sia solo macchine a velocità fissa, sia un mix di macchine

r r a

a velocità fissa e variabile (consideriamo macchine dalla 20 kW in su). Questo valore rappresenta un parametro

attorno a cui settare i valori di carico/vuoto (due set-point: cut-in/cut-out pressure) per le macchine a velocità fissa,

un valore di set-point per quelle a velocità variabile.

CONSIDERAZIONI

- Quando la domanda di aria (la domanda di aria ad un fissato valore di pressione operative) è inferiore a quella

fornita, la pressione di rete tende ad aumentare e questo influisce sul lato dell'offerta che può reagire

diminuendo l'aria, prima o poi (e viceversa)

- Il sistema avrebbe una naturale tendenza alla stabilità perché l'aumento di pressione provoca una riduzione del

flusso di uscita dalla macchina; di conseguenza la domanda di aria (in termini di flusso di massa) aumenta poiché

⇑).

l'aria a pressione più elevata è più densa (d⇑ →V. d = m se V = cost →m Ad ogni modo, a causa delle

variazioni di carico altamente volatili, questo effetto stabilizzante non è sufficiente

- Quindi, il sistema deve agire sul controllo del flusso, anche perché non è sicuro avere fluttuazioni nei valori di

pressione FSC: Il regolatore controlla come prima cosa

l’ingresso del compressore. Il controllore

continua a funzionare fino a quando il valore

nella valvola d’uscita che coincide con la

pressione nel serbatoio raggiunge il cut-off

(bilancio di massa nel tank tra massa fornita e

massa richiesta dalle utenze). Quando

succede questo il regolatore manda un

segnale di chiusa alla valvola di ingresso

dell’aria del compressore. Il compressore

continua a funzionare ma non comprime aria

(funzionamento no load – consuma il 15-20%

della potenza per tenerlo acceso). Solo dopo

un po' di tempo, ad esempio 120 secondi, il

controllore dice all’azionamento elettrico di spegnere il compressore e avremo lo 0% di consumo. Questo è un modo

di controllare la quantità di massa d’aria nel nostro sistema. ASC: Il controllo è in questo caso differente in

quanto viene dato un set point. Quello che

succede è più o meno lo stesso ma il controllo

primario viene fatto tramite l’azionamento

elettrico. Se ad esempio siamo a set-point e

l’utenza aumenta, ci sarà un calo di pressione

nel serbatoio; questo calo verrà rilevato dal

controllore che allerterà l’azionamento elettrico

di aumentare la velocità del compressore

(aumentare il flow rate). Sostanzialmente non

operi sulla valvola di ingresso, a meno che

l’utenza non chieda più aria, ed allora il

regolatore può agire sulla valvola di ingresso

chiudendola ed entrando in unload mode (non

dovrebbe mai andarci se dimensionata correttamente).

Equazioni che descrivono l’andamento della pressione nel serbatoio:

Da equazione dei gas perfetti: ′

∙

= → ∙ → () = () , :

′

∙ ∙ ()

()

= ;

à à :

′ ′

∙ ∙ ̇ () ∙ ∙ ̇ ()

)

= (̇ , ̇ , → = ; =

Per cui si avrà: ↑

= − ,

={ ↓

= − ,

LEZIONE 6 - IL CONTROLLO DELLA PRESSIONE COME PARAMETRO

IMPORTANTE

Lo scopo della strategia di controllo è quello di fornire un servizio di aria compressa al livello di pressione richiesto

dall'utente con le macchine più efficienti all'interno di una sala compressori: le unità devono essere azionate a pieno

carico, ad eccezione di quelle che vengono utilizzate per soddisfare i picchi (rifilatura). Il dimensionamento è fatto in

modo tale da soddisfare la massima richiesta di aria da parte del servizio e garantisce il funzionamento ottimale

anche su quegli utenti, i più lontani dalla sala compressori, che sperimentano contemporaneamente livelli di

pressione inferiori. I sistemi di aria compressa sono progettati per funzionare entro un livello di pressione fisso e per

fornire una portata d'aria che varia in base alla domanda d'aria del sistema.

I sistemi automatici sono caratterizzati dal fatto che permettono ai compressori di lavorare vicino al loro punto di

massima efficienza e limitano l'intervallo di pressione del sistema.

Controllo master singolo (sequenziamento): sono controlli in grado di sequenziare o regolare la capacità (aria

erogata/portata) dei singoli compressori al fine di soddisfare la domanda. Sono chiamati sequencer perché tutte le

decisioni operative sono prese dall'unità master in base al monitoraggio della pressione. Lo stoccaggio deve essere

utilizzato correttamente.

Regolatori di portata: In genere sono regolatori di pressione o densità utilizzati congiuntamente con controlli

individuali o di sistema. Questi controllori non controllano la singola macchina e non sono inclusi come parte

dell'unità. Sono utilizzati per disaccoppiare il lato dell'offerta e della domanda, in modo che il compressore operi

sempre intorno alla sua massima efficienza, lasciando che la pressione sul lato della domanda sia ridotta per ridurre

al minimo il consumo di aria. In questo tipo di controllo, i serbatoi di stoccaggio svolgono un ruolo cruciale: l'aria a un

livello di pressione più elevato viene immagazzinata e resa disponibile per compensare le fluttuazioni della domanda

a un valore di pressione costante ma inferiore. Lo scopo è sempre quello di garantire un minor consumo energetico.

Controlli di rete del sistema: I controller che vengono utilizzati nelle reti sono controller combinati tra loro, che

forniscono non solo il controllo sul singolo compressore ma anche le funzioni del sistema (sono in grado di

controllare solo compressori d'aria, NON altri sistemi ausiliari come filtri essiccatori ecc. ecc.). Cioè, questi controller

sono collegati tra loro e condividono tutte le informazioni operative e di stato (sono monomarca, il che significa che

il coordinamento avviene solo tra compressori