Corso completo energy efficiency in compressed air systems

Ecaslezione 1 – Introduzione corso

Vengono riassunti i principi della termodinamica relativi alle macchine a fluido comprimibile (compressori), vengono illustrati sia la topologia del sistema che il ruolo di ciascun elemento. Saranno introdotte le implicazioni energetiche nel loro utilizzo. Il ruolo degli azionamenti viene introdotto come confronto delle prestazioni tra sistemi a velocità variabile e sistemi a velocità fissa, affrontando anche il rilascio di titoli di efficienza energetica che possono essere acquisiti attraverso miglioramenti di efficienza in questo campo, secondo la normativa vigente. Al termine del corso gli studenti saranno in grado di interagire con una gestione ottimale CAS, oltre a poter confrontare il funzionamento di un compressore VSD con uno a velocità fissa.

Lezione 2 – Introduzioni ai sistemi CAS

Cos'è un sistema di aria compressa?

"Si tratta di un insieme di dispositivi interconnessi la cui funzione è quella di prelevare aria dall'ambiente a pressione atmosferica e produrre aria ad una pressione stabilita, superiore alla pressione atmosferica (almeno 0,4 MPa) per raffreddarla, pulirla e consegnarla ad un utente finale, che può così eseguire un lavoro specifico con essa". Tale sistema richiede energia per fare questo lavoro.

Cos'è l'aria compressa?

È un vettore energetico, perché trasferisce la potenza in ingresso al sistema fino agli utenti finali.

Come comprimiamo l'aria?

• Dispositivo/macchine tecnologiche: (azionamenti elettrici) motore + compressore
• Principio fisico: compressione

Perché siamo interessati a un sistema come futuri ingegneri energetici?

• La compressione, di per sé, può essere un processo molto particolare perché la maggior parte dell'energia in ingresso si trasforma in calore e poca energia va nell'alimentazione dell'aria (aria compressa).
• Dalla produzione fino alla consegna vengono posizionati altri dispositivi, quindi l'efficienza del processo complessivo diminuisce, se poca cautela / conoscenza / attenzione viene prestata dal gestore dell'energia.

Il costo relativo della produzione di aria compressa a 0,8 MPa di pressione è di 0,02 ÷ 0,028 €/Nm³ (è tanto). Inoltre, i sistemi di aria compressa nelle industrie dei paesi sviluppati consumano circa il 5-10% dell'elettricità totale fornita: in Italia la stima tardiva era di circa 10 TWh/anno.

Utilizzi dell'aria compressa

Per utensili elettrici come martelli pneumatici, trapani, chiavi e altri tipi di utensili. L'aria compressa viene utilizzata per atomizzare la vernice, per azionare cilindri d'aria per l'automazione e può anche essere utilizzata per dare propulsione ai veicoli e in processi come le macchine per lo stampaggio per EPS. I freni applicati dall'aria compressa hanno reso i grandi treni ferroviari più sicuri ed efficienti da utilizzare. I freni ad aria compressa si trovano anche sui grandi veicoli autostradali.

Come risparmiare energia

Azionamenti elettrici e motori:

• Motori e azionamenti elettrici più efficienti;
• Azionamenti elettrici/inverter appositamente progettati;
• Algoritmi di controllo più efficienti (azionamenti a velocità variabile, nuova configurazione per la sala compressori).

Compressore

• Ottimizzare i parametri costruttivi della macchina (efficienze meccaniche e termodinamiche)
• Sfruttare il calore di scarto generato
• Controllare i parametri dell'aria in ingresso (temperatura, polvere, umidità, ecc...)
• Dimensionamento delle macchine/impianti in base alle esigenze (analisi dei fattori di carico di lavoro, criticità, ecc. ecc.)

A valle del compressore...

• Adeguata manutenzione di filtri e parti soggette a usura
• Controllo delle perdite di pressione concentrate e distribuite
• Mantenere una buona qualità dell'aria
• Riduzione perdite (giunti, giunzioni, verifica T, P e condensa)
• Suitable conduicts sizing, transmission and distribution layout

Utenti finali

• Riduzione del fabbisogno d'aria
• Riduzione della resistenza P
• Monitoring (pressione, flusso, t, h.... energia/potenza distribuita)
• Controllo e prevenzione delle perdite d'aria

Lezione 3 – Potenza ed energia in CAS

Definizione di lavoro di compressione Lc

Quantità di lavoro che l'unità di massa del fluido, che viene compresso, riceve dagli organi mobili del compressore, a partire dalla sezione di aspirazione (1, a) fino a quella di mandata (2, m).

Definizione di scambio termico Q

Quantità di calore eventualmente ceduto dal fluido che viene compresso tra la sezione di aspirazione e quella di mandata.

Per il principio di conservazione dell'energia: \(2 1 2 2\) allora \(1 = 2,2 2\).

Compressione isoterma (ossia dT=0), reversibile (ossia L=0)

Poiché allora la relazione precedente diventa da \(\int\) 1 A partire dalla legge dei gas perfetti pV= nRT, ricaviamo la relazione che ci permette il calcolo della densità dell’aria date pressione e temperatura:

• \(=[ ] 2 ' '(, ) = , 287,1 =[ ] []\)
• \([ ] ' []\)

Compressione adiabatica (Q=0), isoentropica (reversibile ossia L=0)

\(= -12 2 1/ 1\) \(\cdot 1\) \(\cdot 2\) \(= = () \Rightarrow = ^{[ ]} \cdot \left(\left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{\frac{k-1}{k}} - 1\right)\)

I principi della teoria

La pressione

La pressione atmosferica è il prodotto del peso della atmosfera che si trova attorno alla terra. Dipende dalla densità e dal peso dell'atmosfera. A livello del mare vale la regola:

• p assoluta = 1,01325 bar = 760 mm/Hg (torr) = 1 atm = 0,101325 MPa (riferimento Sistema Internazionale 0°C)
• p = p_ass + p_rel

Alcune definizioni

• FAD (Free Air Delivery): condizioni di riferimento per l'aria alla mandata, riportate alle condizioni di ingresso (0,1 MPa e T 20°C umidità relativa 0%).
• Punto di rugiada (dew point): temperatura di un gas alla quale il vapore d'acqua presente in un dato volume ad una certa pressione (diventa saturo), comincia a condensare.
• Rapporto di compressione totale (): rapporto tra pressione assoluta lato mandata e lato aspirazione.

Unità di misura

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Esempio per fissare le idee

\(1 \text{ in} \rightarrow 2,54 \, \text{ cm} \rightarrow 0,0254 \, \text{ m}\)

\(1 \, \text{ in}^2 \rightarrow (0,0254 \, \text{ m})^2 \rightarrow 0,00064516 \, \text{ m}^2\)

\(1 \, \text{ lb} \rightarrow 1 \, \text{ lb}_{\text{f}} \times 9,81 \rightarrow 4,448 \, \text{ N}\)

\(4,448 \, \text{ N/m}^2 \rightarrow 1 \, \text{ psi} \rightarrow = 6895 \, \text{ Pa}\)

Primo rudimentale dimensionamento compressore

Dobbiamo conoscere quanta portata d’aria q vogliamo portare dalle condizioni iniziali p alle condizioni di mandata p1 1 22 → L, 1 1 2 → ln ( )1 1 13 → [ ] ; ⋅ → = = ][ ] [1 2 1 1 12

Lezione 4 – Efficienza in CAS ed esercizio

Perché vengono utilizzati gas compressi?

• Trasferimento di potenza per il funzionamento di utensili industriali (verniciatura a sabbiatura)
• Fornire aria di combustione
• Distribuire il gas nelle reti di distribuzione della città (gas naturale)
• Produrre reazioni più favorevoli alle reazioni chimiche

Some comments on power

Potenza teorica (Pteorica) = nel caso di compressione senza fori, è la spesa teorica P per comprimere il gas, secondo il processo scelto, dalla pressione di aspirazione alla pressione di mandata. Potenza indicata (Pindicata)= potenza corrispondente al diagramma p-V rilevato dall'indicatore di processo selezionato. Potenza interna (Pinterna) = P indicata a cui si aggiungono le perdite di trasmissione del calore e le perdite dovute a fori (PQ+perdite). Potenza albero (albero) = P richiesta all'albero motore dal compressore, si ottiene aggiungendo le perdite meccaniche alla P interna (Pmech).

\(= = ⋅ ⋅\)

Le componenti di un impianto ad aria compressa, possono essere identificate in 4 diverse unità:

• Il compressore (composto da filtro di ingresso, motore, elemento di compressione, sistema di raffreddamento e smaltimento condensa, sistema di controllo);
• Sistema di filtraggio esterno (set di filtri per la rimozione di particelle solide, olio, in conformità con le specifiche di purezza richieste per l'aria in base agli usi);
• Sistema di essiccazione (che deumidifica l'aria attraverso sistemi di refrigerazione o chimici);
• Serbatoio di stoccaggio e rete di trasmissione e distribuzione.

Misurare la pressione

Le misure di pressione differenziale consentono di monitorare le prestazioni funzionali di un impianto e valutare l'efficienza economica di elementi specifici come ad esempio filtri, stato delle tubazioni... Lo stato dell'arte attuale per questo tipo di misuratore comprende sensori elettronici di pressione che convertono il valore di pressione in un segnale analogico. Calcolo della caduta di pressione (cdp) distribuita in una tubazione, formula di Darcy:

\(2\Delta = ⋅ , \Rightarrow ; \Rightarrow ; \Rightarrow . ; \Rightarrow à 2\)

Osservazioni su ciò che influisce sull'efficienza di un sistema

Motore (velocità fissa) + compressore

Il modo in cui le macchine sono controllate gioca un ruolo importante. Attenzione ai dati caratteristici durante il funzionamento:

• FAD (free air delivery, dry air at 20°C; 0.100 MPa) per un dato valore di pressione di esercizio (non misurato sulla macchina)
• Ore di scarico/carico (misurate e ottenibili dal computer di bordo)
• Numero di cicli (misurato e ottenibile dal computer di bordo, numero di passaggi dalle condizioni di carico a quelle di scarico – quando applicabile)

Dimensionamento del serbatoio

Il ruolo del serbatoio è quello di rendere asincrona la domanda dell...