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Descrizione generale sulla valutazione e la scelta dei compressori

Indice:

Nonostante il compressore a pistone abbia già più di 200 anni, le apparecchiature a compressione sono state ampiamente utilizzate soltanto negli ultimi cento anni. l loro ambiti di utilizzo si estendono nelle varie sfere della vita quotidiana, come per esempio la fornitura di aria compressa per le attrezzature pneumatiche, così come nell'area professionale: fornitura di gas compresso per gli stabilimenti industriali, produzione di impianti ad alta potenza di refrigerazione, ecc. Gli indici delle caratteristiche tecniche consentono di formulare le necessarie considerazioni preliminari sul dispositivo a compressione che si prevede di utilizzare. Le suddette caratteristiche sono molto importanti per la progettazione e la valutazione del compressore e sono inoltre utili per la scelta degli strumenti, dell’attrezzatura ad aria compressa e della fonte d’energia ad essi collegata.

I compressori sono ampiamente usati per il trasporto in varie sfere dell'industria e si presentano sotto forma di un dispositivo meccanico che comprime la miscela esterna di compressione in forma gassosa. Ci sono molti tipi di compressori e pertanto una corretta selezione e valutazione dei compressori sono indispensabili per soddisfare i requisiti riconducibili alla sfera industriale in cui verranno utilizzate questo tipo di attrezzature.

Di solito il processo di compressione della miscela esterna avviene all’interno del compressore con l'ausilio di pale rotanti oppure nei cilindri con l'aiuto dei pistoni. I compressori a vite vengono utilizzati per flussi a grande portata volumetrica e a bassa pressione di iniezione mentre i compressori a pistoni sono necessari per i casi di iniezione ad alta pressione. Esistono ancora molti parametri funzionali che vanno considerati, tra cui le norme vigenti e gli standard. Pertanto la selezione del compressore è un’importante procedura che richiede la considerazione di molti fattori.

Per la corretta scelta del compressore è necessario comprendere a che scopi esso verrà utilizzato. È inoltre necessario ottenere parametri come pressione, temperatura, resa ecc. e determinare il tipo di compressore necessario.

I principali parametri per la scelta del compressore sono i dati sul gas, la portata richiesta, la pressione e la temperatura di aspirazione e, inoltre, la pressione di iniezione.

La scelta dei compressori si basa sulla termodinamica in quanto teoria di base della compressione del gas, sul confronto di diversi tipi di compressori, sulla teoria di calcolo e di scelta come anche sulle formule di valutazione del compressore. Si dispone di alcune equazioni per la valutazione del compressore. Questo per fornire in modo chiaro la teoria di valutazione.

Scelta dell’apparecchiatura di compressione. Tip di compressore

Soffermiamoci sui punti fondamentali per la scelta dell’apparecchiatura di compressione.

Il compressore è un dispositivo che viene utilizzato per aumentare la pressione della miscela gassosa comprimibile riducendone il volume specifico durante il suo passaggio attraverso il compressore. Il livello di pressione all’ingresso e all’uscita variano da un profondo vuoto fino ad un eccesso di pressione, a seconda delle esigenze del processo tecnico. Questa è una delle condizioni principali secondo cui si sceglie il tipo di compressore e la sua configurazione. I compressori di solito si dividono in due grandi sottogruppi: dinamici e volumetrici. Per un unico settore di applicazione possono venire scelti diversi tipi di compressori che possono essere più adatti per usi specifici date le particolarità della loro progettazione.

Proprietà della miscela di compressione. Compressione dei gas

Nel compressore possono venire compressi vari gas. È necessario fornire le proprietà termodinamiche del gas o della miscela di gas comprimibile in modo che il fornitore possa adeguatamente calcolare il gruppo compressore. Quando si esegue il calcolo del compressore è necessario conoscere la completa composizione del gas, il nome del gas ed inoltre la sua formula chimica. Nelle specifiche tecniche del compressore devono essere indicati l'analisi del gas con l’elenco della denominazione di ogni componente, del peso molecolare, del punto di ebollizione, ecc. Questi dati sono molto importanti in quanto sono determinanti per molti parametri del compressore. Il rapporto tra i parametri di base del gas (pressione, temperatura e volume) si chiama equazione di stato del gas.

L’equazione di stato del gas più semplice è l’equazione di stato del gas perfetto.

P · V = R · T

dove:
P — pressione,
V — volume molare,
R — costante del gas,
T — temperatura.

Questa equazione si applica solo a quei gas la cui temperatura è molto al di sopra della temperatura critica oppure la cui pressione è molto inferiore rispetto alla pressione critica. L'aria in condizioni atmosferiche obbedisce a questa legge.

Il gas reale si distingue dal gas perfetto per il cosiddetto fattore di comprimibilità («Z»). Il concetto di «comprimibilità» viene utilizzato in termodinamica per spiegare la deviazione delle proprietà termodinamiche dei gas reali rispetto alle proprietà dei gas perfetti.

P · V = Z · R · T

Dove il valore «Z» è la dipendenza funzionale della composizione del gas, della sua temperatura e della sua pressione.

Processo di compressione

Il grado di compressione (R) è il rapporto tra la pressione di iniezione e la pressione di aspirazione:

R = Pd/Ps (dove i valori Pd e Ps sono assoluti).
Il compressore unistadio ha un solo valore R.
Il compressore a due stadi ha 3 valori R.

R = grado generale di compressione del compressore
R1 = grado di compressione al primo stadio
R2 = grado di compressione al secondo stadio

R = Pd/Ps

R1 = Pi/P

R2 = Pd/Pi

Ps – pressione di aspirazione
Pd – pressione di iniezione
Pi – pressione tra gli stadi

Durante la compressione del gas il volume disponibile per le molecole all’interno del compressore diventa minore causando la diminuzione della distanza tra le molecole. Dal momento che all’interno di un volume fisso il numero di molecole di gas aumenta allora aumentano anche la massa e la densità di questo volume fisso. L’aumento della densità comporta un aumento della pressione.

Nella figura seguente la linea verticale dal punto 1 al punto 2’ rappresenta il processo isoentropico di compressione che richiede il lavoro minimo di compressione da P1 a P2. Il processo effettivo di compressione segue la traiettoria dal punto 1 in alto a destra in direzione della crescente entropia che termina al punto 2 sulla isobara di P2.

scelta dei compressori

Il processo che si compie nel compressore porta all’aumento della pressione del gas, all'aumento della temperatura del gas e del calore che può fuoriuscire dal compressore. Nella maggior parte dei casi la richiesta è quella di aumentare la pressione del gas con il minimo dispendio di potenza. Quando il processo di compressione è adiabatico non c'è trasferimento di calore tra il compressore e l'ambiente esterno, verrà perciò eseguito meno lavoro quando il processo è isoentropico. Questo presuppone che non ci siano perdite nel compressore, cosa che di fatto è un obiettivo irraggiungibile ma si può prendere come base per l’indice di rendimento della compressione. L’indice di rendimento isoentropico del compressore si definisce come il lavoro di compressione del gas nel processo isoentropico diviso il lavoro effettivo utilizzato per la compressione del gas. L'indice di rendimento del compressore è spesso riportato come indice di rendimento isoentropico.

Tuttavia è possibile fabbricare un compressore con indice di rendimento isoentropico superiore al 100%. Il lavoro eseguibile in un processo isoterma reversibile è inferiore rispetto a quello eseguibile in un processo isoentropico. Nel processo isoterma reversibile la temperatura del gas è mantenuta alla temperatura di aspirazione con l'aiuto del trasferimento reversibile del calore durante la compressione. In questo processo non dovrebbero esserci perdite. Tuttavia la potenza assorbita è quasi sempre più della potenza isoentropica e perciò per la classificazione dei compressori viene solitamente utilizzato l’indice di rendimento isentropico.

I due tipi fondamentali di compressori esistenti sono: volumetrici e dinamici. Le due tipologie si distinguono in base al principio di compressione della miscela gassosa utilizzata. I compressori volumetrici comprimono il gas attraverso la conservazione di quantità significative di gas in uno spazio chiuso con la conseguente riduzione del volume. La compressione avviene quando nel corpo compressore entra una certa quantità di gas e si verifica la conseguente riduzione del volume interno del corpo compressore.

Un altro tipo di compressore è il compressore dinamico che comprime il gas attraverso l'azione meccanica di pale rotanti o ventole, dando velocità e pressione al gas. Un maggiore diametro della ventola, un maggiore peso molecolare del gas oppure una grande velocità di rotazione produrranno una maggiore pressione. Solitamente i compressori volumetrici vengono selezionati per piccoli volumi di gas e grandi coefficienti di pressione. I compressori dinamici invece vengono scelti per grandi volumi di gas e coefficienti di pressione minori.

Le fasi base della scelta del compressore sono

1. il calcolo del grado di compressione.
2. la scelta tra compressore unistadio e multistadio.
3. il calcolo della temperatura in iniezione.
4. la definizione della portata volumetrica.
5. la determinazione del volume di lavoro richiesto.
6. la scelta del modello del compressore.
7. la definizione della coppia minima del compressore scelto.
8. la scelta della coppia effettiva.
9. il calcolo del volume effettivo di lavoro.
10. il calcolo della potenza richiesta.
11. la selezione di opzioni adatte.
12.la selezione corretta del compressore.

Caratteristiche tecniche dell’apparecchiatura di compressione

Tra le più importanti caratteristiche tecniche dell’apparecchiatura di compressione è necessario evidenziare le seguenti:

  • Compressore prodotto con pressione dell'aria misurata in atmosfere o in bar. Nella vita quotidiana i modelli di compressore più popolari producono soltanto una pressione dai 6 agli 8 bar mentre i compressori industriali sono in grado di creare una pressione di 25 bar. La pressione indica che uno o l'altro modello di compressore sia in grado di creare una certa pressione interna e di pompare la massa aerea in un’intercapedine ermetica. L’indice della pressione creata si determina attraverso la classe e la potenza del gruppo compressore. Nella vita di tutti i giorni non c'è bisogno di usare un compressore che può creare altissima pressione. Sarà sufficiente una piccola macchina con pressione di esercizio fino a 10 bar. Una grande società non può sempre lavorare su questi valori e perciò in questo caso servono apparati o impianti più potenti. La pressione di esercizio del compressore è il valore medio tra la massima pressione ottenibile, con la quale si ferma il processo di compressione, e la pressione minima nel sistema che fa ripartire di nuovo il compressore. Di solito, tra una sosta e l’azionamento del compressore la differenza di pressione è pari a 2 bar.
    Sulla base di questo indicatore tutti i compressori sono suddivisi in gruppi di apparecchiature di compressione a bassa, media e alta pressione. Non tutti i compressori hanno una potenza sufficiente per la compressione dell'aria durante la creazione di alta pressione. Solo potenti dispositivi a pistoni sono in grado di raggiungere indici di pressione di 30 atmosfere. I loro analoghi a vite non arrivano a indici così alti;
    La pressione di ingresso /di uscita. È necessario indicare nelle specifiche del compressore il valore minimo di pressione del flusso di gas in ingresso. Ciò è indispensabile per assicurare la resa del compressore.La pressione può essere assoluta o in eccesso e quando si indicano i dati è necessario fare una nota adeguata nella specifica. È necessario anche indicare l’unità di misura della pressione indicata.
  • La temperatura d’ingresso. La temperatura in ingresso è influenzata dal consumo volumetrico, dai requisiti di pressione e dalla potenza assorbita. Pertanto è necessario specificare anche la temperatura massima in ingresso.
  • La temperatura di iniezione. La temperatura di iniezione (Td) dipende dalla temperatura d’ingresso, dal coefficiente di compressione, dal valore del calore specifico del gas e dall’indicatore di rendimento della compressione. Questa temperatura è importante per la progettazione meccanica del compressore, per la selezione del livello di compressione e per la valutazione del dispositivo di raffreddamento e delle tubazioni.
  • le prestazioni di aspirazione o di iniezione dell'aria (quantità di aria aspirabile o iniettabile in fase di uscita). Di solito i produttori di macchinari compressori indicano nelle schede tecniche il primo valore, dal momento che a conseguenza di una perdita d'aria il compressore in funzione perde sempre resa di iniezione; la resa in aspirazione, invece, è sempre un po' più alta.
  • La resa mostra il volume d’aria che il compressore, indipendentemente dalla pressione che ha creato, è in grado di dare in una determinata quantità di tempo e si misura in m3/h oppure l/min. Diversi tipi di apparecchiature a compressione hanno diversi indici di resa che definiscono gli scopi specifici di utilizzo dell’apparecchio a compressione.
  • Anche la quantità di aria in ingresso prima di iniziare il processo di compressione, utilizzabile dal compressore in un certo periodo di tempo è considerata una caratteristica della resa del dispositivo. In altro modo, questo parametro è chiamato portata d'aria. La pratica dimostra l’esistenza di una differenza tra questi due indici ma nondimeno bisogna basarsi sulla resa in uscita del compressore. Quando si ha l’esigenza di acquistare un dispositivo a compressione è necessario fare la valutazione con un margine di resa di circa il 30%;
  • la potenza di un motore dotato di compressore si misura in kWh. Possono essere diesel, a turbina, motori elettrici. La potenza del motore è uno dei valori determinanti che consentono al compressore di gestire la compressione dell'aria. Maggiore è la potenza, maggiore è il consumo di energia. Se vi è un errato calcolo della potenza del motore i costi energetici del compressore sono semplicemente sprecati. Solitamente motori potenti vengono installati in impianti potenti che hanno bisogno di questo tipo esatto di trasmissione;
  • peso e dimensioni complessive del compressore. Questi valori possono essere diversi. Variano da dimensioni piuttosto piccole, che sono tipiche dei dispositivi da garage facilmente trasportabili al luogo di esecuzione dei lavori, fino a dimensioni abbastanza ingombranti, per la cui collocazione potrebbe essere necessario un intero ambiente. Le grandi imprese che usano impianti potenti, efficienti e di dimensioni molto ingombranti non prestano molta attenzione al peso e alle dimensioni poiché sono apparecchiature stazionarie che, come accennato prima, vengono collocate in apposite sale macchine. Le dimensioni complessive e il peso del compressore sono sempre direttamente collegati alle sue capacità. Un compressore domestico, al contrario, è molto compatto e la maggior parte dell’ingombro è data dal serbatoio d’aria con capienza di 50, 100, 200 litri e oltre. L'alternativa è il compressore a vite, al quale non serve un serbatoio per un’erogazione uniforme dell’aria. Naturalmente senza il serbatoio le dimensioni e il peso del compressore diminuiscono in modo molto significativo, il che rende l’apparecchio molto più mobile;
  • Anche il volume del serbatoio rientra tra le caratteristiche non meno importanti che permettono al compressore di funzionare in modalità offline. Si tratta di speciali serbatoi preposti alla raccolta dell’aria compressa. Il volume del serbatoio consente apparecchiatura di compressione di lavorare più a lungo in modalità offline quando il compressore è spento. Questo consente di risparmiare energia. Un altro vantaggio del serbatoio consiste nel fatto che l’impianto compressore può pompare aria secondo i parametri di pressione impostati.
  • L’attività corrosiva del gas pompato. È necessario definire la composizione del gas corrosivo per tutte le condizioni di lavoro. Questo è importante poiché il gas, durante la compressione, può creare crepe che si formano a seguito della corrosione avvenuta sotto tensione su materiale ad alta resistenza.
  • Liquido nel flusso del gas. È necessario evitare la presenza di liquido nel gas in quanto ciò potrebbe causare danni al compressore. Nel caso in cui vi sia del liquido nella miscela di compressione bisogna dotare il compressore di un separatore per la sua divisione. Inoltre, nel caso in cui la temperatura ambiente sia al di sotto del punto di condensazione del gas all'ingresso del compressore o quando si verifica la compressione di componenti di idrocarburi più pesanti dell’ethan, bisogna munire il compressore di un radiatore elettrico di riscaldamento e isolare il foro d’ingresso del compressore.

Ci sono settori dell’industria, come ad esempio l'industria alimentare, che non possono permettersi la presenza di corpi estranei nell’aria compressa. Pertanto, in questi casi, nella selezione di impianti di compressione si dà la preferenza non alle caratteristiche di potenza ma alle particolarità di costruzione utili durante il funzionamento del compressore. In questi casi i parametri tecnici dei compressori devono soddisfare i requisiti di purezza dell'aria compressa, la cui compressione deve scorrere nel dispositivo, escludendo l'uso di olio per la lubrificazione delle sue superfici di lavoro.

Particolarità costruttive dell’apparecchiatura a compressione

Alle caratteristiche di progettazione del compressore si possono associare:

  1. il tipo di azionamento del dispositivo. Può essere come a motore a combustione come motore elettrico;
  2. il numero di stadi utilizzati per il processo di compressione dell'aria. Questa caratteristica ha valore e importanza nella scelta di compressori a pistoni, in quanto consente di effettuare la compressione del gas non in uno ma in più cilindri consecutivamente;
  3. il sistema di raffreddamento (ad olio, ad aria, ad acqua).
  4. la mobilità. I compressori possono essere installati sia in modo stazionario su un basamento speciale, che trovarsi su un rimorchio per semplificarne il trasporto;
  5. la disposizione dei componenti. Tutti gli altri componenti del dispositivo possono essere montati sia sul telaio che sul serbatoio;
  6. posizionamento del serbatoio: verticale e orizzontale.

Da non perdere di vista, inoltre, quando si sceglie un compressore è l’alimentazione elettrica. Infatti non tutte le imprese di servizio meccanico, dove viene eseguito il montaggio di pneumatici, dispongono di una fonte di corrente con tensione a 380 V. In alcuni casi, persino l’alimentazione con tensione a 220 V può essere instabile.

La scelta del compressore è direttamente collegata con la valutazione preliminare delle caratteristiche tecniche elencate sopra. Prima di procedere alla considerazione delle caratteristiche del compressore, è necessario chiarire alcune sottigliezze. La massa d'aria convogliata dal dispositivo compressore è un valore costante per unità di tempo e dipende direttamente dalle caratteristiche costruttive di esecuzione del compressore. È riconosciuto che la resa è determinata dai valori di volume e non di massa. Questo fatto porta spesso a confusione nei calcoli ed in particolare ad errori nei calcoli già compiuti.

Ciò è dovuto al fatto che l'aria subisce una compressione come tutti i gas. A causa di questo una stessa massa d'aria è in grado di occupare volumi diversi che dipendono dai valori di pressione e temperatura. La funzione complessa di potenza o l'equazione della politropica spiega l'esatta relazione tra queste grandezze.

Il dispositivo compressore riempie il serbatoio, in cui la pressione cresce ma la sua resa volumetrica cade. Ne risulta che il flusso volumetrico del compressore è un valore variabile. Quale valore allora va indicato nella scheda tecnica del dispositivo compressore?

Secondo lo standard nazionale russo “Gost” la resa del compressore va calcolata con il volume d'aria da esso in uscita con ricalcolo in base alle condizioni fisiche durante il processo di aspirazione. In generale le condizioni fisiche tipiche all'ingresso del compressore per le normali condizioni di lavoro: la temperatura è di 20 °C, la pressione di 1 bar. Secondo il “Gost” è anche consentita una deflessione degli indici effettivi del dispositivo a ±5% da quegli indicatori che sono indicati nell’anagrafica del compressore.

Allo stesso tempo si produce anche il ricalcolo dei parametri di potenza dell’aria compressa in modo che essi siano coerenti con le caratteristiche del dispositivo. Se per esempio la portata formale di questa unità è di 100 litri/minuto, significa che il dispositivo pneumatico sotto pressione lavorativa consuma in un minuto quella quantità di aria che in condizioni normali avrebbe occupato un volume di 100 litri.

I produttori esteri di attrezzature di compressione non hanno familiarità con le disposizioni e le norme statali russe indicate nel “Gost” e calcolano la resa dei loro prodotti in altro modo, cosa che di solito porta ad errori. I dati delle schede tecniche dei loro dispositivi ad aria compressa contengono i parametri di resa teorica di un dispositivo (resa di aspirazione).

Il rendimento teorico del dispositivo è determinato dal il volume geometrico d'aria che può trovare posto nella sua camera di compressione in un ciclo di aspirazione. Poi questo volume viene moltiplicato per il numero di periodi (cicli) per unità di tempo. Questa resa teorica è più alta delle effettive prestazioni del dispositivo. La differenza tra rendimento teorico ed effettivo delle prestazioni viene compensato con il coefficiente di resa (Cr), che dipende dalle condizioni di aspirazione e dalle caratteristiche costruttive del dispositivo (perdita sulle valvole: aspirazione e iniezione, disponibilità non totale del volume estratto) che contribuiscono a ridurre il riempimento del cilindro (nel caso di un compressore a pistoni). L’indice di resa di un compressore industriale varia da 0,6 a 0,8.

La differenza di calcolo tra la resa teorica e la produttività effettiva, prodotta in ingresso e in uscita, può raggiungere una notevole grandezza. Pertanto quando nelle caratteristiche tecniche viene indicata la resa teorica del compressore è necessario ricalcolare questi dati sulla resa in uscita del dispositivo e quindi ridurre il suo tasso del 30-40%.

Progettazione del compressore

Nelle specifiche tecniche del compressore è indispensabile indicare la pressione massima ammissibile. Questi dati insieme alla temperatura massima consigliata vengono utilizzati dai produttori di compressori per fabbricare il corpo compressore e le parti principali del compressore, capaci di resistere alla massima pressione e temperatura consentite. Per i compressori centrifughi e assiali la pressione massima accettabile del corpo è calcolata al computer tramite l'aggiunta della pressione massima in ingresso alla massima pressione differenziale che può verificarsi in un compressore in presenza di una più complessa combinazione di condizioni. Per i compressori a pistoni con cilindro e il corpo dei compressori a vite, durante l’iniezione, la pressione massima ammissibile deve superare la pressione nominale del 10% o di 25 psi a seconda di quale delle due unità è più grande.

La temperatura massima ammessa per i compressori centrifughi e assiali deve essere la temperatura massima di iniezione, raggiungibile durante il funzionamento del compressore e deve includere una certa tolleranza. Per i compressori a pistoni con cilindro e per il corpo dei compressori a vite la temperatura massima ammessa deve superare il valore nominale della temperatura di iniezione.

Flange e valore nominale

Per tutti gli ingressi e le uscite del compressore devono essere indicate nelle specifiche tecniche le dimensioni dei collegamenti dei tubi, il valore nominale delle flange e il loro tipo. Devono essere inoltre indicati i tipi di guarnizioni e di biella.

Il sistema di lubrificazione e l’olio lubrificante

La funzione diretta di questi sistemi è prima di tutto fornire un’erogazione ininterrotta di fluido lubrificante e di raffreddamento pulito per i cuscinetti e le guarnizioni del compressore, per gli ingranaggi e per la biella. Si tratta di sistemi importanti per i compressori e quindi la loro valutazione deve essere chiaramente indicata nelle specifiche tecniche.

Materiali di costruzione

I gas per la compressione possono influire sula scelta dei materiali di costruzione del compressore, soprattutto per quanto riguarda le parti a contatto con la miscela di compressione. Ad esempio, durante la compressione di H2S può accadere crepatura di materiali ad alta resistenza a causa del solfuro. Sono adatti a questo tipo di lavoro i materiali che hanno superato il trattamento termico dopo la fabbricazione con resistenza alla deformazione sotto di 90.000 psi.

Stadi tecnici della compressione

Il grado di compressione (R) è il rapporto della pressione in iniezione (P2) in relazione alla pressione di aspirazione (P1) all’interno del compressore, P2/P1. Quando è necessaria una compressione fino ad un’alta pressione, la valutazione del compressore presuppone la presenza di diversi stadi di compressione e in alcuni casi tra i diversi stadi sono necessari dispositivi di raffreddamento per l’evacuazione del calore che si crea durante il processo di compressione. Si necessita di ulteriori stadi di compressione, ad esempio:

  • per ridurre la temperatura alla fine di ogni stadio di compressione applicando il raffreddamento intermedio fino ad un livello accettabile per garantire il corretto funzionamento del compressore.
  • per ridurre la temperatura nella fase di ingresso della compressione per abbassare a sua volta la pressione necessaria a raggiungere il coefficiente di compressione prestabilito.
  • per garantire la limitazione della pressione differenziale e del coefficiente di compressione di diversi tipi di compressori, come ad esempio: la limitazione del carico assiale nei compressori centrifughi, la limitazione della sollecitazione dello stelo del pistone nei compressori a pistoni, il carico assiale nei compressori a vite.
  • per ridurre la potenza assorbita per il processo di compressione, potenza che va nell’azionamento del compressore grazie al lavoro dei raffreddatori intermedi tra gli stadi e la temperatura viene mantenuta entro i limiti di sicurezza.

Scelta di un compressore unistadio o multistadio

La scelta di un adeguato numero di stadi di compressione si basa principalmente sul grado di compressione.

Nel determinare la quantità di stadi necessaria si tengono inoltre in considerazione la temperatura in iniezione e le modalità di funzionamento. Di seguito è riportato un esempio per la selezione del numero di stadi di compressione.

Valore R № di stadi
1-3 unistadio
3-5 Di solito unistadio, a volte bistadio
5-7 Di solito bistadio, a volte unistadio
7-10 bistadio
10-15 Di solito bistadio, a volte a tre stadi
15+ A tre stadi

Confronto di compressori unistadio e bistadio che si applicano per lo stesso ambiente di lavoro e in condizioni identiche (stessa resa, gas e pressione):

  unistadio bistadio
Temperatura di iniezione Più alta Più bassa
Portata di riferimento Più bassa Più alta
Complessità generale del sistema Più bassa Più alta

Come in molte decisioni ingegneristiche è necessario trovare un compromesso tra i consumi iniziali, i consumi in funzione e i costi di manutenzione.

1. Per prima cosa è necessario effettuare il calcolo di tutti i fruitori d'aria Q, l/minuto. A questo scopo si somma il dispendio di aria utilizzata da tutti i suoi consumatori. Ciò viene fatto sulla base delle loro caratteristiche tratte dai dati del passaporto tecnico che dà il valore di Q (l/min), il quale rappresenta il volume di aria che consuma il sistema pneumatico. Questo valore è vicino all’indice massimo, se si prevede l'uso di un gran numero di fruitori. Esso può essere ridotto nel fattore di carico dato che non sempre tutti i consumatori d’aria funzioneranno contemporaneamente. Il compito di apportare la correzione di diminuzione o meno è una scelta personale di ciascun proprietario di unità di compressione, le quali forniscono la riserva d'aria nel sistema pneumatico.

2. Il successivo parametro per il calcolo è la resa del compressore A (l/min). Molti errori nelle valutazioni sono dovuti alla non corretta determinazione del valore A e alla non corretta comprensione della resa del dispositivo compressore. Tutte le aziende produttrici di dispositivi compressori nelle loro schede tecniche o cataloghi indicano con questo valore l’utilizzo massimo d’aria al momento d’ingresso nel compressore. Questo valore non può essere considerato come resa del compressore in uscita poiché non tiene conto dell'indice di rendimento del dispositivo e delle sue caratteristiche costruttive distintive. A questo proposito il calcolo delle prestazioni del compressore dovrebbe avvenire come segue:

A = Q · (β/η)

dove:
Q – è il volume totale di aria che consumano tutti i fruitori del sistema pneumatico in generale, misurata in litri/minuto;
β – è il coefficiente che pone il costruttore per tenere in considerazione le particolarità costruttive della propria apparecchiatura di compressione;
η – è l’indice di rendimento del dispositivo

Riportati di seguito si possono trovare i valori β e η (in qualità di informazioni di base) per il funzionamento di un compressore nella fascia di pressioni, che avvengono nel sistema pneumatico, da 6 a 8 bar.

Forma costruttiva di un dispositivo di compressione b h
Dispositivo semiprofessionale 1,7 0,55
Compressore professionale 1,5 0,65
Compressori con particolari sovraccarichi 1,3 0,75
Compressori a vite 1 1

3. Parametro non meno importante nella scelta del dispositivo è la scelta del volume del serbatoio V (l). I produttori di attrezzature di compressione, quando si sceglie il volume del serbatoio, raccomandano di prevederlo con la seguente fascia di A:

V = (1/2 ÷ 1/8)·A

La scelta del serbatoio giusto e anche l’aumento del suo volume contribuiscono a compensare e stabilizzare la pressione che, a sua volta, rende il sistema pneumatico più flessibile nella percezione dei carichi.

4. Nella scelta del compressore ci si attiene a una regola: la pressione che viene generata dal dispositivo deve essere maggiore della pressione con la quale funzionano i fruitori dell’aria compressa. Qualunque compressore pompa aria fino alla massima pressione Pmax. e poi si spegne. Il compressore si riaccende in caso di caduta della pressione fino a Pmin. La differenza tra la pressione massima e la pressione minima del compressore è di 2 bar.

5. Sempre in tema di selezione del dispositivo è importante designare la sua destinazione d’utilizzo: decidere come e per quali scopi verrà utilizzato l’apparecchio. È importante determinare la durata del suo lavoro costante, il volume massimo di aria compressa necessaria, la pressione di funzionamento e altre caratteristiche tecniche simili, di cui già si è parlato sopra.

Tipo di compressore: ecco il dato da cui dipendono pienamente tutti le altre caratteristiche sopra nominate. Dopo aver esaminato tutte le potenze totali di consumo è possibile trarre delle conclusioni. Nel caso in cui sia necessario un compressore per una pistola a spruzzo o un utensile pneumatico con una piccola pressione di lavoro, l'opzione migliore sarebbe un compressore a pistoni. Se si tratta di grandi potenze e pochi fruitori d'aria, è necessario orientarsi su macchine a vite o a spirale. Non si deve dimenticare la distanza a cui sarà verrà fornito l’elemento compresso, cioè l'aria compressa.

6. Sulle caratteristiche di compressione, soprattutto sui valori di potenza, influiscono anche fattori come il posizionamento sopra il livello del mare, la temperatura ambiente e la pressione atmosferica. Più alta è la posizione sopra il livello del mare, più bassi sono i parametri di temperatura e pressione dell'aria circostante. Durante il funzionamento del compressore in tali condizioni è necessario tener conto di questa circostanza poiché queste condizioni incidono sul valore di resa e sulla portata nominale di aria compressa. Pertanto se il compressore viene utilizzato ad alta quota, le caratteristiche della sua resa in uscita saranno in un certo modo diverse da quelle indicate nella scheda tecnica.

È noto che l'aria in quota si scarica e questo porta ad un peggioramento del raffreddamento del motore del compressore e delle sue componenti sensibili al calore. Il motore funziona con caratteristiche nominali di un’altezza massima di 1000 m al di sopra del livello del mare e una temperatura massima di 40°C (Guardare la tabella qui sotto dove è indicato il comportamento di vari motori, a seconda dell'altitudine e della temperatura). Alcuni tipi di compressione dispositivi sono dotati di motori elettrici che a grande altitudini sono caratterizzati da una perdita di potenza. Di conseguenza anche sull'albero del compressore la potenza è ridotta.

Tipo di motore: Ribasso di potenza in % per 1000 metri Ribasso di potenza in % per ogni 10 °С di incremento della temperatura
Di tipo atmosferico 12 3,6
A pressurizzazione 8 5,4

Algoritmo in aiuto della scelta del dispositivo secondo le caratteristiche di resa e di pressione. Schema per la scelta del compressore

Il tipo di compressore necessario può essere selezionato secondo il diagramma riportato di seguito, sulla base dei più comuni dati di riferimento.

scelta dei compressori

Nella tabella seguente sono chiaramente esposte le caratteristiche dell’apparecchiatura a compressione in base al tipo:

Compressori per tipo: Valori massimi:
A tamburo Q = da 2 a 5 m3/min
РН = da 0,3 a 200 Mn/m² (ricerche di laboratorio dimostrano 7000 Mn/m²)
n = da 60 a 1000 giri/min.
N = max. 5500 kWh
A vite Q = da 0,5 a 300 m3/min
РН = da 0,3 a 1,5 Mn/m²
n = da 300 a 3000 giri al minuto
N = max. 1100 kWh
Di tipo centrifugo Q = da 10 a 2000 m3/min
РН = da 0,2 a 1,2 Mn/m²
n = da 1500 a 10000 (max. 30000) giri al minuto.
N = max. 4400 kWh (per quelli da aviazione - 10 000 kWh e più)
Di tipo assiale Q = da 100 a 20000 m3/min.
РН = da 0,2 a 0,6 Mn/m²
n = da 2500 a 20000 giri/min.
N = max. 4400 kWh (per quelli da aviazione raggiunge max. 70000 kWh)

La scelta del compressore richiede un’alta precisione, in quanto il risparmio di tempo nei calcoli preliminari può comportare un margine di errore rilevante che comporterà l'acquisizione di un dispositivo che non soddisfa i requisiti richiesti e non pienamente in grado di portare a termine i compiti assegnati.

Esempio di scelta di un compressore a pistoni

Il compressore a pistoni è un compressore di tipo volumetrico. Per la selezione del compressore sono necessari i parametri di base che bisogna determinare dall’inizio, tra i quali: la pressione in iniezione, la temperatura del gas in aspirazione, la resa necessaria, le presunte modalità di funzionamento e la composizione del gas. La selezione sarà anche contare sull'importanza relativa di efficienza, costo e affidabilità. I compressori per aree di applicazione diverse possono avere un simile funzionamento dei pistoni, ad esempio i compressori con colpo del pistone lungo tendono a lavorare più lentamente rispetto a pistoni con colpo del pistone breve. Inoltre, compressori con colpo del pistone breve hanno di base una struttura più leggera con carichi ammissibili minori.

La velocità del compressore e il colpo dipendono dalla potenza assorbita. Un ambito di utilizzo con meno potenza utilizza compressori leggeri, ad alta velocità e con il colpo breve. Ambiti di utilizzo con grandi potenze richiedono invece compressori di grande potenza, con minore velocità e colpo lungo del pistone. Dove è possibile, i grandi compressori sono direttamente collegati meccanismo di comando. In questo modo anche la velocità di azionamento può influenzare la scelta del compressore.

Poi si sceglie il numero di stadi. Sono fattori importanti la temperatura ammessa in iniezione, il grado di compressione dei cilindri e il coefficiente di efficienza. Se la temperatura calcolata in iniezione è troppo alta durante l’utilizzo di uno stadio, presumibilmente si ha bisogno di più stadi. Durante la selezione preventiva può essere utilizzata la temperatura isoentropica in iniezione ma se un determinato numero di stadi può portare a situazioni critiche, è necessario calcolare la temperatura in iniezione in modo più preciso. Con un calcolo grossolano si può supporre che venga utilizzato lo stesso livello di compressione per tutti i livelli. In pratica è sempre meglio prendere un grado di compressione più elevato per gli stadi a bassa pressione e scaricare un po' gli stadi critici di alta pressione.

In quasi tutti i campi di utilizzo, dove è richiesta una funzionalità a più fasi, vengono utilizzati dei raffreddatori intermedi. In questo caso l'aumento del numero di stadi aumenta il coefficiente di efficienza del compressore. Ciò è dovuto al fatto che con il raffreddamento intermedio il processo di compressione è quasi uguale alla compressione isotermica e utilizza meno potenza.

Se la massa gassosa di compressione si condensa durante il raffreddamento intermedio è necessario separare il liquido dal gas. Inoltre, la massa di gas da comprimere che va in iniezione si riduce, cosa che diminuisce anche il consumo di potenza. Tuttavia, dato che aumentano gli stadi, aumenta anche il numero di valvole, di tubazioni intermedie e dispositivi di raffreddamento attraverso cui passa il gas. Se si utilizzano molti stadi le perdite di pressione nelle valvole e nelle tubazioni riducono i vantaggi del raffreddamento intermedio e si abbassa l'efficienza.

Il costo del compressore aumenta con l'aumento del numero degli stadi. Questo perché vi è la necessità di dispositivi di raffreddamento, valvole, tubazioni, cilindri aggiuntivi.

Dopo aver scelto il numero di stadi si scelgono i cilindri per ogni fase. Per la selezione della testa del cilindro è necessario conoscere le condizioni in ingresso, la resa, la velocità e la lunghezza del colpo. Per un funzionamento sicuro è necessario scegliere il giusto valore nominale di pressione per il cilindro, tener conto del carico, della perdita e del consumo di potenza.

Inoltre, quando si sceglie un compressore a pistoni si considera anche la forza sbilanciata che il compressore trasmette alla base, le potenziali vibrazioni che possono causare danni all'albero motore e dell'azionamento, il livello di rumore, la possibilità di ottimizzare la posizione del compressore, il coefficiente di efficienza e il costo.

Compressori e ventilatori

Calcolo e selezione delle attrezzature di base

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