L’impiego di generatori di pressione locali

La rete di distribuzione dell’aria compressa può essere un punto debole in un impianto pneumatico, in quanto possibile fonte di perdite energetiche per via dei trafilamenti, se non sottoposto a continua manutenzione. Inoltre, l’uso di pressioni differenti in punti diversi di utilizzo e la richiesta di portate molto variabili possono portare a un uso non ottimale dell’impianto stesso. Per questi e altri motivi può essere preferibile optare per un sistema alternativo locale di generazione dell’aria compressa, avvicinando all’utilizzatore il sistema di generazione dell’aria.

L’uso dell’aria compressa rappresenta un fatto assolutamente comune in quasi tutte le industrie. L’impianto pneumatico, distribuito con una rete di tubazioni in ogni punto dello stabilimento, è visto come una fonte energetica disponibile senza problemi per ogni applicazione. L’impianto dell’aria compressa ha però un costo non indifferente. Oltre ai costi di acquisto e di installazione, vi sono significativi costi di esercizio dovuti all’acquisto della corrente elettrica necessari all’azionamento dei compressori e al costo della gestione e manutenzione di impianti e apparecchiature connesse.

Da diversi anni si manifestano attenzioni crescenti al costo, sia per motivi generali energetici, sia per ridurre per quanto possibile le spese di esercizio. Varie sono le cause da prendere in considerazione. Innanzitutto si deve considerare che le linee di distribuzione e tutti gli accessori ad esse collegati sono soggetti nel tempo a fughe, che disperdono aria compressa non impiegata per attività utili. Un secondo problema è rappresentato dal fatto che i diversi utilizzatori richiedono spesso aria a pressioni differenti di lavoro, mentre una centrale di compressione unica non può che produrre aria con un’unica pressione di lavoro. A tale proposito l’uso di moltiplicatori di pressione locali o dispositivi economizzatori di vario tipo forniscono una risposta solo parziale al problema. Inoltre, bisogna ricordare che quasi sempre vi sono variazioni sulle richieste degli utilizzatori in termini di portata d’aria, che possono comportare secondo i casi un dimensionamento sovrabbondante delle linee o modifiche all’originale sistema di distribuzione dell’aria compressa, via via che ci sono evoluzioni significative. Un’interessante soluzione alternativa a un’unica centrale di compressione può essere rappresentata dall’uso di generatori di pressione locali, progettati e regolati per esigenze ben specifiche, in modo da conciliare al meglio le esigenze dell’utilizzatore con quelle imposte dalle caratteristiche dei compressori e dei gruppi di trattamento. Questa soluzione è poi l’unica proponibile quando il quadro di riferimento non consente di avere grandi impianti di distribuzione, ma solo unità locali, magari con specifiche differenti da utente a utente, per soddisfare necessità diverse.

I sistemi centralizzati di generazione e trattamento

Gli impianti industriali di produzione dell’aria compressa sono generalmente centralizzati (fig. 1).

Fig. 1 – Impianto tradizionale di generazione e distribuzione dell’aria compressa.

L’impianto prevede un compressore, un serbatoio di accumulo, un primo sistema di trattamento dell’aria e di regolazione della pressione, un sistema di distribuzione dell’aria, un secondo sistema di trattamento dell’aria e di regolazione di pressione verso le utenze locali.

Il trattamento dell’aria consiste generalmente in tre passaggi: filtrazione grossolana, posta immediatamente a valle del compressore, essiccazione e preparazione fine. Quest’ultima risulta economicamente più vantaggiosa se decentrata a ridosso degli utilizzatori. Per questo motivo il filtro fine, il riduttore di pressione finale e l’eventuale lubrificatore, sono posizionati immediatamente a monte della macchina utilizzatrice. I filtri purificano l’aria da piccole impurità; questa mediante un’azione centrifuga spinge verso l’esterno le particelle, che vengono separate dall’aria che transita attraverso una cartuccia di materiale poroso, in genere bronzo sinterizzato o filtri a fibre e microfibre. Un comportamento particolare avviene nei filtri a coalescenza, dove l’effetto di filtrazione è dovuto a cartucce composte spesso da microfibre di borosilicato. Tali filtri separano soprattutto le particelle di liquido (acqua o olio). L’aria compressa di qualità richiede più stadi di filtrazione: si passa dai filtri che arrestano particelle di diametro fino a 5 micrometri ai filtri fini (fino a 0.1 micrometri) ai micro filtri (fino a 0.01micrometri). Nelle applicazioni alimentari o biomedicali per eliminare gli odori vengono utilizzati submicrofiltri a carboni attivi, che catturano particelle fino a 0.003 micrometri di diametro. L’aria in uscita dal compressore contiene una certa quantità di vapore acqueo, che condensa non appena la temperatura scende al di sotto del valore di saturazione. Si definisce punto di rugiada la temperatura massima alla quale inizia a condensare una parte di vapore. Siccome è bene evitare la formazione di acqua nelle tubazioni, che potrebbero essere soggette a corrosione, l’aria viene essiccata a valle del compressore principale.  Oggi i metodi di essiccazione dell’aria utilizzati sono tre: condensazione, assorbimento e diffusione. Nel primo caso si abbassa la temperatura dell’aria mediante un refrigeratore per separare l’acqua. Tale metodo influisce sui costi energetici di produzione dell’aria per circa il 3% per grandi impianti e permette di ottenere punti di rugiada in un campo attorno a +1/+3°C. Per ottenere punti di rugiada inferiori occorre anche comprimere l’aria a pressione molto elevata. In tal caso si arriva a punti di rugiada fino a -60°C, ma in termini energetici il costo aumenta notevolmente e non è proponibile. Il secondo metodo di essiccazione sfrutta il principio dell’adsorbimento da parte di sostanze che trattengono l’acqua, con un processo chimico-fisico. La sostanza esiccativa generalmente è un gel di silicio, ma vi sono essiccatori ad adsorbimento basati anche su altre sostanze, come silicati di alluminio ad elevata capillarità. Le sostanze adsorbenti consentono il raggiungimento di elevati punti di rugiada (fino a -70°C), ma necessitano di rigenerazione, ovvero occorre con una certa periodicità forzare il passaggio di aria calda nell’essiccatore affinché il contenuto d’acqua della sostanza siccativa venga eliminato. Il terzo metodo sfrutta il principio della diffusione attraverso un fascio di fibre cave permeabili al vapore. La diffusione del vapore avviene grazie alla differenza di concentrazione del vapore acqueo fra l’interno e l’esterno di tali fibre. Questa soluzione è molto pratica, soprattutto per portate d’aria piccole (inferiori ai 50 m3/h (ANR)), anche se presenta lo svantaggio di un consumo costante d’aria, che fluisce verso l’esterno attraverso la membrana. Secondo l’applicazione esistono differenti classi di qualità dell’aria, previste dalla normativa ISO 8573-1. Nella tabella 1 sono riportate le qualità dell’aria in funzione dell’applicazione. Sono specificati le dimensioni delle particelle in sospensione, il punto di rugiada, il massimo contenuto in olio e lo stadio di filtrazione consigliato.

Tab. 1 – Qualità dell’aria a seconda   dell’applicazione.
Diametro   particelle (mm) Punto di   rugiada (°C) Massimo   contenuto d’olio (mg/m3) Grado di   filtrazione
Macchine utensili 40 +10 25 40 mm
Cilindri pneumatici 40 +3 25 40 mm
Regolatori di pressione di precisione 5 +3 1 1÷5 mm
Apparecchi di misura e sensori 1 -40÷+3 0.1 1÷5 mm
Applicazioni mediche 0,01 -40÷-20 0,01 mm

In figura 2 è mostrato lo schema dell’impianto pneumatico centralizzato. A sinistra è visibile il sistema di generazione e trattamento centrale, a destra la rete di distribuzione con diverse utenze a seconda della qualità dell’aria richiesta.

Fig. 2 – Schema dell’impianto pneumatico tradizionale industriale.

Nella tabella 2 sono descritti i componenti presenti nell’impianto.

Tab. 2 – Elenco componenti di figura 2.
1 filtro di aspirazione
2 silenziatore
3 compressore
4 refrigeratore
5 separatore d’acqua con scarico automatico
6 pressostato
7 valvola di sicurezza
8 serbatoio
9 filtro 40 mm   con spurgo automatico
10 filtro 5 mm   con spurgo automatico
11 filtro 5 mm
12 essiccatore
13 micro filtro disoleatore 0.1 mm
14 regolatore di pressione

La generazione alternativa dell’aria compressa

In tutti i casi in cui non risulta conveniente un impianto centralizzato di aria compressa, si può utilmente utilizzare una soluzione alternativa che consiste in gruppi generatori locali adatti alle singole esigenze espresse dagli utilizzatori. Si possono portare molti esempi di applicazioni industriali e non industriali su questa soluzione. Sono tutti casi in cui gli azionamenti sono generalmente elettrici e si richiedono solo poche utenze pneumatiche. A titolo di esempio si può pensare a industrie manifatturiere o macchine di misura, dove l’aria compressa serve per azionare ventose o per alimentare pattini pneumatici o per getti di movimentazione di fibre o di piccoli particolari. Nel campo non industriale si può pensare ad apparecchiature elettro-pneumatiche per riabilitazione da usare in ambulatori, in studi medici o in reparti ospedalieri non attrezzati. In ogni caso la generazione autonoma dell’aria compressa può trovare un favorevole riscontro per il costruttore del macchinario, che può meglio garantire la funzionalità del suo prodotto senza entrare in contestazioni su qualità dell’aria utilizzata o su quanto altro possa intervenire. Per applicazioni che richiedono portate d’aria fino a 200 dm3/min (ANR) tendenzialmente la soluzione su esposta può essere conveniente. Il sistema di generazione alternativa prevede l’uso di compressori di piccola taglia (fino a potenze di qualche kW) posti in prossimità dell’utenza e tarati a seconda del consumo previsto. Il vantaggio principale riguarda l’eliminazione della linea di distribuzione dell’aria, che oltre all’ingombro, è fonte di potenziali perdite potenziali lungo l’impianto. Inoltre il dimensionamento accurato del serbatoio e l’avvicinamento della generazione all’utenza consentono di compattare notevolmente il sistema che può diventare mobile, se necessario. Nella figura 3 sono mostrati i pesi di sistemi completi disponibili sul mercato, comprensivi di trattamento aria e di serbatoio, a seconda della portata d’aria massima fornita, con indicazione della pressione relativa di mandata.

Fig. 3 – Dati di catalogo di gruppi di generazione dell’aria compressa.

I compressori per piccola generazione

I compressori utilizzati per la generazione distribuita di aria compressa sono essenzialmente volumetrici. I modelli con biella e manovella si distinguono principalmente nelle seguenti tipologie: a pistone articolato, a pistone oscillante, a membrana. Vi sono poi compressori a palette e lineari. In figura 4 sono visibili i campi di funzionamento in termini di pressione di mandata e portata d’aria dei diversi tipi di compressori.

Fig. 4 – Campi di funzionamento dei diversi tipi di compressore volumetrico.

Il compressore a pistone oscillante si distingue dal classico compressore a pistone articolato per il fatto che il pistone e l’asta che lo collega all’albero sono integrati in un unico blocco. Le corse risultano inferiori, dunque anche la portata prodotta, ma l’efficienza è maggiore. La tecnologia a pistone oscillante consente di lavorare con portate più elevate a parità di pressione, assicurando un funzionamento più regolare e una maggiore durata. Inoltre consente l’eliminazione dell’olio come lubrificante, rendendola adatta ad applicazioni medicali e al settore alimentare. Nei compressori a membrana è appunto una membrana a fungere le funzioni del pistone; essa viene spostata verso l’alto e il basso da una biella collegata ad un eccentrico montato sull’albero motore. Tali compressori sono caratterizzati da bassa rumorosità, alta efficienza e buona tenuta ai gas. Per contro, le pressioni di esercizio sono limitate al di sotto dei 3 bar.

I compressori a palette presentano palette alloggiate in fessure praticate sul rotore che per effetto della forza centrifuga si mantengono a contatto con la superficie interna del cilindro. Tra due palette si forma una cella il cui volume cambia costantemente durante la rotazione poiché l’albero è eccentrico rispetto al cilindro. Si tratta di componenti oil free in quanto le palette sono autolubrificanti. Nei piccoli modelli la pressione di esercizio è limitata ad 1 bar. I compressori lineari e ad armatura oscillante realizzano il movimento del pistone o della membrana mediante un solenoide collegato direttamente. Per via della forza elettromagnetica limitata non raggiungono pressioni elevate, ma possono essere silenziosi e presentano un’efficienza elevata. Hanno anche una maggiore durata poiché sono meno soggetti a usura rispetto ad altre tipologie di compressori. Sono inoltre adatti ad applicazioni oil free.

I compressori a bagno d’olio presentano durata maggiore in quanto gli attriti e l’usura sono limitati. Per contro, non sono adatti a quelle applicazioni che richiedono una totale assenza di olio nell’aria.

I sistemi autonomi

I gruppi autonomi di generazione dell’aria compressa utili per alimentare l’aria in piccole applicazioni locali sono costituiti da un compressore, un sistema di trattamento aria, che può essere dotato anche di essiccatore, e di un serbatoio di accumulo.

Le specifiche tecniche richieste a questi gruppi riguardano alcuni aspetti fondamentali per la loro adozione. Tra queste possiamo ricordare:

  • necessità di produrre aria secondo la portata richiesta, usando un serbatoio che non provochi una frequenza di intervento del compressore troppo elevata;
  • possibilità di adattare la velocità di rotazione alla produzione di aria necessaria;
  • produzione di aria con un adeguato livello di umidità, evitando possibilmente i problemi di smaltimento di acqua condensata;
  • bassa rumorosità;
  • rendimento energetico possibilmente elevato.

In figura 5 è riportato un esempio.

Fig. 5 – Esempio di gruppo autonomo di generazione dell’aria.

Il compressore a seconda della richiesta dell’utenza può funzionare a diversi valori di duty cycle, fino al funzionamento in continuo. Mediante due pressostati la pressione nel serbatoio viene mantenuta all’interno di un campo di pressione. Spesso tali gruppi vengono racchiusi all’interno di un carter per aumentarne la silenziosità. Per compressori fino a 10 bar e potenza 2 kW la rumorosità è intorno a 70 dB; si riesce a diminuire di ancora circa 10 dB tale valore con l’opzione del silenziamento. Per applicazioni che richiedono una particolare silenziosità con l’utilizzo di compressori a bagno d’olio si arriva anche a 35 dB, ovvero ben al di sotto del livello sonoro di una normale conversazione. L’aria in uscita dal compressore viene raffreddata in uno scambiatore di calore in modo da aumentare l’efficienza dell’essiccatore. La soluzione maggiormente adottata per l’essiccatore è quella a membrana, che spesso è integrata con il filtro in un’unica colonna in un sistema molto compatto. I sistemi sono dotati di un sistema di scarico automatico a richiesta, che elimina la condensa presente nel serbatoio senza la necessità di un intervento manuale, evitando così la formazione di ruggine. In alternativa al precedente, l’essiccatore ad adsorbimento presenta una doppia colonna per garantire un funzionamento continuo, anche durante la rigenerazione. In applicazioni biomedicali, oltre al filtro da 0,03 micrometri si utilizza in serie un filtro sterile da 0,01 micrometri. In figura 6 è mostrato lo schema del sistema di generazione e trattamento autonomo dell’aria compressa.

Fig. 6 – Schema del sistema di generazione e trattamento autonomo dell’aria compressa.

Conclusioni

In conclusione si può affermare che in diversi casi unità locali di compressione possono essere preferibili ad un unico sistema centrale di compressione sia per soddisfare le necessità di diverse utenze, sia per ridurre i costi di esercizio e i consumi energetici. Tali sistemi autonomi realizzano anche il trattamento aria e possono essere progettati per soddisfare le richieste dell’utenza in termini di punto di rugiada, portata e pressione cercando di ottimizzare i consumi energetici.

Bibliografia

  1. Manuale di pneumatica, Guido Belforte, Tecniche nuove, Milano, 2005, ISBN 88-481-0541-6.
  2. Pneumatica, Ulisse Belladonna, Angelo Mombelli, Biblioteca Tecnica Hoepli, Milano, 2001.

 

Lascia un commento

Inserisci il tuo commento
Inserisci il tuo nome