La perdita di carico dovuta alle tubazioni troppo piccole oppure al percorso troppo tortuoso è un concetto piuttosto comune. Sono molti gli scritti che forniscono indicazioni precise sulle corrette metodologie di calcolo delle reti di distribuzione dei gas compressi, con frequenti parallelismi con le reti di distribuzione dei liquidi.
Meno frequenti sono, invece, gli approfondimenti in cui si analizzano le perdite nella fase di carico, ossia nel processo di produzione della pressione: sarà proprio questo l’aspetto di cui parleremo.
Facciamo un esempio
Nel termine perdite di pressione risulta evidente che qualcosa viene “perso”. Questo, di norma, sottintende una situazione in cui lungo il percorso si perde parte del carico che è rappresentato dalla pressione di partenza.
Per cercare di tradurre concetti termodinamici, che sono alla base dell’idea di pressione e non sempre familiari, potrebbe essere utile immaginare il carico di un mezzo di trasporto.
Pensiamo al percorso di un camion di sabbia asciutta che viene caricato (compressione delle molecole di gas) e che debba poi trasportare la sabbia (gas compresso) fino a destinazione. Per poter meglio allineare il concetto intuitivo (carico della sabbia) con il concetto fisico (compressione di molecole di gas), scegliamo volutamente di trascurare tutte le trasformazioni termodinamiche che sono alla base della compressione politropica.
Proviamo ora ad effettuare la similitudine partendo dalla zona di carico della sabbia asciutta. Una prima difficoltà può essere dovuta alle perdite che si hanno proprio nel tentativo di caricare un materiale a così bassa coesione. Durante il trasporto, poi, potranno esserci altre perdite più o meno sensibili in relazione, rispettivamente, alla velocità del trasporto e alla tortuosità del percorso.
La compressione delle molecole di gas: un parallelo eloquente
Il parallelo con la compressione delle molecole di un gas mediante compressori volumetrici rotativi lubrificati a vite monostadio vede, anche in questo caso, una prima perdita nella fase di aspirazione delle molecole del gas da parte dell’organo di compressione. L’obiettivo è, infatti, passare da una pressione atmosferica ad una richiesta.
Per compiere questo processo, il primo ostacolo lo si trova nelle sezioni di passaggio di aspirazione. L’utilizzo di sezioni di passaggio con velocità “critica” produce, infatti, una strozzatura tale per cui non riesce a passare l’intera portata di gas, dando origine a perdite in aspirazione.
Successivamente, possono verificarsi perdite – in alcuni casi anche importanti – nella fase stessa di compressione, tipica nei compressori rotativi a vite in cui i trafilamenti nella zona di incontro dei profili delle viti con i cilindri entro cui ruotano sono dovuti al ritorno dell’aria dalla zona di alta pressione verso quella a pressione inferiore: fenomeno detto “blow bole”.
Dopo la fase di compressione vera e propria, la miscela gas-olio deve seguire un percorso più o meno lungo prima di poter essere immessa nel sistema di trattamento e distribuzione. Negli organi destinati al trattamento del gas compresso – quali il separatore gas-olio, il filtro dell’olio, la valvola di non ritorno, il raffreddatore finale e il separatore di condensa – ci possono essere altre perdite di pressione.
Il dimensionamento delle sezioni di passaggio del gas e della miscela gas-olio è quindi di fondamentale importanza per ridurre al minimo le perdite di carico, così come le fasi di pressurizzazione e depressurizzazione interna che caratterizzano i cicli vuoto-carico del compressore.
Per i sistemi di compressione dei gas, l’efficienza di compressione è tanto maggiore quanto minore è “l’energia specifica” misurata in kW/m3/min.
Quali sono i sistemi di controllo?
I costruttori più attenti alla progettazione di unità con bassa energia specifica, oltre al dimensionamento di “Airend” con profili particolari (per limitare al minimo l’effetto “blow bole”), hanno sviluppato sistemi di controllo integrati nell’unità in grado di gestire e monitorare in tempo reale le perdite:
- in aspirazione (valvole di aspirazione con bassa velocità di flusso);
- nell’Airend per effetto “blow bole”;
- nelle fasi di pressurizzazione-depressurizzazione (limitando al minimo i cicli vuotocarico);
- nella separazione della miscela gas/olio (separatori con elevata efficienza e bassa velocità);
- nelle masse radianti per il raffreddamento del gas compresso (masse radianti di grandi dimensioni per assicurare basse temperature di mandata del gas);
- nei sistemi di separazione della condensa dal gas compresso a elevata efficienza e integrati all’interno del compressore stesso.
Al fine di individuare valori di riferimento delle possibili perdite di carico” tipiche per ciascuna fase, è necessario individuare i principali elementi e i relativi valori che li caratterizzano.
Sistema di aspirazione
Un compressore stazionario, se messo a vuoto solo con la chiusura della valvola di aspirazione, richiederebbe circa 70÷80% della potenza a pieno carico.
Pertanto, molti costruttori hanno sviluppato sistemi per ridurre la potenza assorbita, che comprendono la chiusura della valvola di aspirazione, la depressurizzazione del serbatoio dell’olio e la riduzione della quantità d’olio immessa nel compressore.
La potenza a vuoto, in tali sistemi, è di circa 15÷20% della potenza a pieno carico. Il massiccio utilizzo dell’elettronica da parte dei principali costruttori, ha consentito la gestione diretta dei cicli di depressurizzazione modulazione dell’aspirazione, con una notevole riduzione delle perdite in questa fase molto importante.
Inoltre, sono stati sviluppati sistemi che, a seconda della richiesta d’aria, possono variare la velocità del motore (inverter) e adeguare così la portata, avere l’avviamento e l’arresto automatici o una regolazione doppia.
In questa fase, il filtro di aspirazione risulta essere un componente molto importante non solo per la riduzione della perdita di pressione, ma anche per assicurare che la qualità del gas aspirato sia priva di sostanze che possono danneggiare il gruppo pompante.
Normalmente, i filtri d’aspirazione dovrebbero essere tali da assicurare la separazione di particelle di 10÷15 micrometri.
Il fattore Airend
L’Airend è rappresentato dall’elemento di compressione, in cui fisicamente avviene la formazione del carico. Di norma, per motivi costruttivi e di fluidodinamica, la bocca d’aspirazione dell’Airend è situata sulla parte superiore del cilindro dal lato accoppiamento. La bocca di mandata è situata sulla parte inferiore e sul lato opposto.
All’estremità della bocca di aspirazione, il gas è aspirato fra il lobo del rotore principale e la gola del rotore secondario. Come viene superata la bocca di aspirazione, il gas è intrappolato fra i due rotori e le pareti del cilindro.
Proseguendo la rotazione, si riduce il volume e, pertanto, cresce la pressione e il gas viene spinto verso la bocca di scarico. Come i rotori passano davanti alla bocca di scarico, la miscela gas lubrorefrigerante viene espulsa.
Questo ciclo, naturalmente, avviene anche per tutti gli altri lobi e gole. Il diagramma pressione-volume di un compressore a vite è simile a quello degli altri tipi di compressori volumetrici. L’effettivo ciclo di compressione è molto prossimo a quello di una trasformazione isoterma a causa della refrigerazione dovuta all’iniezione d’olio.
Affidati alla competenza dei professionisti Compressori Veneta per tenere sotto controllo le perdite nella fase di carico del tuo impianto ad aria compressa ed evitare qualsiasi fermo produttivo.
