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Corso di Impianti Meccanici – Laurea Triennale
Modulo 1
Impianti per la produzione di aria compressa
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Dott. Ing. Marco Pellegrini
Dott. Ing. Michele Gambuti
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
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Produzione di aria compressa
Formazione di condensa
Agenda
Dimensionamento e componenti
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Generalità
L’impianto per la produzione e la distribuzione dell’aria compressa è tra gli impianti di
stabilimento e di cantiere più importanti. L’aria compressa infatti rappresenta il fluido potenziale
per l’azionamento di macchine e utensili, per il trasporto di materiali, per l’azionamento di
servocomandi, per sistemi di regolazione, …
Per l’azionamento di utensili si preferisce l’aria compressa per ragioni di sicurezza, per avere
utensili più semplici ed economici o con impieghi particolari, anche se le tubazioni dell’aria
riducono la maneggevolezza ed il rendimento è talora piuttosto basso (rendimenti complessivi
intorno al 10%). In questo campo si opera con pressioni di 4÷8 bar.
Pressioni non molto superiori si utilizzano per l’azionamento di servocomandi, mentre nel
campo della regolazione si utilizzano pressioni più basse: 3÷15 psi (0,2÷1 bar).
Produzione di aria compressa
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P&IL’impianto di produzione dell’aria compressa raffigurato è costituita da un compressore alternativo a due
stadi di compressione che aspira l’aria dall’ambiente e la manda, attraverso lo scambiatore S ed il
separatore di condensa SC al serbatoio di accumulo SA. Il raffreddamento è effettuato con acqua.
Anche tra stadio e stadio si effettua il raffreddamento dell’aria, con lo scambiatore S’, e la separazione della
condensa, con il separatore SC’.
L’impianto è poi completato da filtri F, scaricatori di condensa s con tubo di equilibramento t, e da termostati
T per mantenere la temperatura dell’acqua ai valori prescritti.
Produzione di aria compressa
LEGENDA:
F = filtro
Fa = filtro dell’aria
P = pressostato
PI = Pressure Indicator
s = scaricatore di condensa
S = scambiatore di calore
SA = serbatoio di accumulo
SC = separatore di condensa
t = tubo equilibratore
T = valvola termostatica
VI = valvola di intercettazione
VS = valvola di sicurezza
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Compressore
A seconda delle applicazioni si usano vari tipi di compressori. In impianti
normali il compressore più utilizzato è quello alternativo, mentre per
grandi portate si utilizzano compressori rotativi a palette o a viti. Non si
utilizzano compressori Roots hanno una pressione di mandata limitata a
circa 1 barg.
Il compressore è poi generalmente monostadio, per pressioni fino 5-6
bar, o bistadio, per pressioni più elevate (nel campo dell’aria compressa,
non si raggiungono mai valori tali da richiedere tre o più stadi di
compressione). Frazionare la compressione permette di ridurre il lavoro
necessario per la compressione.
All’uscita dal primo stadio di compressione, l’aria compressa fino a circa 3 bar, viene raffreddata
transitando in uno scambiatore di calore.
La temperatura raggiunta dall’aria raffreddata dipende dal fluido utilizzato per asportare calore: nelle
installazioni fisse, il raffreddamento del compressore si effettua generalmente con acqua, mentre in
gruppi mobili (da cantiere ad esempio) il raffreddamento è ad aria.
L’aria entra quindi nel secondo stadio di compressione e viene compressa fino a circa 9 bar.
Occorre raffreddare ulteriormente l’aria compressa perché arrivi al serbatoio di accumulo e alla rete
di distribuzione con temperature accettabili (circa 30÷40°C).
Produzione di aria compressa
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Circuito di raffreddamento ad acqua
Sul circuito di raffreddamento troviamo valvola di
intercettazione, filtro e tre diverse derivazioni.
La prima derivazione porta acqua nelle camicie del
compressore, la seconda derivazione porta acqua allo
scambiatore intermedio tra i due stadi di compressione e la
terza derivazione porta acqua nello scambiatore di calore a valle
del compressore.
Filtro d’aspirazione Fa
Il filtro d’aspirazione Fa attraversato dall’aria ambiente, è molto importante per intercettare le impurità
dell’aria, che se in un ambiente normale sono dell’ordine di 0,02÷0,005 g/m3, in ambiente industriale
possono raggiungere valori di 0,1 g/m3.
Prima di giungere al punto di raccolta l’acqua attraverso una valvola termostatica (chiamata anche
valvola economizzatrice) che regola la portata di acqua scaricata in base alla temperatura rilevata dal
proprio elemento sensibile. A monte delle valvole termostatiche sono posizionati dei filtri a protezione
delle valvole.
Produzione di aria compressa
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Produzione di aria compressa
Formazione di condensa
Agenda
Dimensionamento e componenti
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Problema di formazione della condensa
Un problema non trascurabile in questi impianti è relativo alla condensazione del vapore
presente in aria. Bisogna assolutamente evitare che delle goccioline di acqua arrivino al
secondo stadio di compressione o agli utensili pneumatici perché, a causa della natura
incomprimibile dell’acqua, si avrebbe la rottura del cilindro o degli utensili.
La condensa che si forma viene quindi separata grazie a separatori e scaricatori di condensa.
L’aria è una miscela di gas, composta principalmente da: azoto, ossigeno, anidride carbonica,
gas nobili e vapor d’acqua.
Per la legge di Dalton, la pressione totale esercitata da una miscela di gas ideali, è pari alla
somma delle pressioni parziali dei singoli componenti. La pressione parziale di un componente
è quella che sarebbe esercitata dal singolo gas se fosse presente da solo in egual volume.
Il vapore contenuto in aria condensa quando vengono raggiunte le condizioni di saturazione,
ovvero quando ad una certa temperatura, la pressione parziale del vapore eguaglia la
pressione di condensazione relativa a quella temperatura.
Produzione di aria compressa
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Diagramma di Mollier per l’acqua → Le grandezze specifiche sono riferite al kg di acqua
Es: con una pressione di 1 bar il vapore condensa a 100°C
con una pressione di 74 mbar il vapore condensa a 40°C
Formazione di condensa
T [°C] 0,01 5 10 15 20 25 30 35 40 45
psat [kPa] 0,6113 0,8721 1,2276 1.7051 2,339 3,169 4,246 5,628 7,384 9,593
T [°C] 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
psat [kPa] 12,349 15,758 19,940 25,03 31,19 38,58 47,39 57,83 70,14 84,55
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Diagramma di Mollier per l’aria umida
Per una miscela di aria, il diagramma di riferimento è il diagramma di Mollier per l’aria umida.
In questo diagramma le grandezze specifiche sono riferite al kg di aria secca.
Le grandezze principali del diagramma sono la temperatura T della miscela (in ordinata), la
quantità di vapore in miscela x misurato in gvapore/kg aria secca (in ascissa), l’entalpia specifica della
miscela j (kJ/kgaria secca) ed il grado igrometrico φ.
Il grado igrometrico φ esprime il rapporto tra la quantità di vapore presente in aria e la quantità
di vapore che sarebbe presente in condizioni di saturazione alla temperatura cui è l’aria
(Taria=Tvapore):
𝛗 =𝐩𝐯
𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)
La curva con φ=1 prende il nome di curva di saturazione
Formazione di condensa
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Diagramma di Mollier per l’aria umida → Le grandezze specifiche sono riferite al kg di aria secca
Il diagramma è riferito a una pressione costante (solitamente pressione atmosferica)
Formazione di condensa
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Uno psicrometro è uno strumento per misurare l’umidità
dell’aria. È costituito da due termometri i cui bulbi sono
investiti dall’aria ambiente, o perché i termometri vengono
messi in rotazione o perché l’aria viene soffiata o aspirata con
apposita ventola.
Uno dei due termometri ha il bulbo ricoperto da una calza
(garza, mussola, cotone, …) impregnata d’acqua, sicché
segna, a regime, la temperatura a cui si porta l’aria
completamente satura di vapore (temperatura di bulbo umido
tb). L’altro segna la temperatura dell’aria in condizioni normali
(temperatura di bulbo secco o asciutto ta).
Riportando ta e tb sul diagramma di Mollier per l’aria umida, si
individua sulla curva di saturazione lo stato rappresentativo
dell’aria satura di vapore 2. Poiché l’evaporazione dell’acqua
non ha dato luogo a sensibile variazione dell’entalpia, lo stato
rappresentativo dell’aria ambiente 1 giacerà lungo
l’isoentalpica per 2 in corrispondenza di ta.
Formazione di condensa
Temperatura di bulbo secco e temperatura di bulbo umido
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pv = RT →
• x =𝜌v
𝜌a=
Τkgv m3
Τkga m3 =kgv
kga
• Tv = Ta = T
• Rv =R0
μv, μv = 18 kg/kmol
• Ra =R0
μa, μa ≃ ω02 ∙ μ02 +ωN2
∙ μN2= 0,23 ∙ 32 + 0,77 ∙ 28 = 28,92 kg/kmol
papv
∙vavv
=R0μa
∙μvR0
∙T
T→
papv
∙𝜌v𝜌a
=μvμa
→ x =μvμa
∙pvpa
=18
28,92∙pvpa
= 0,622pvpa
φ =Pv
Psat(T)→ 𝐱 = 𝟎, 𝟔𝟐𝟐
𝛗 𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)
𝐩 − 𝛗 𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)
pava = RaTa a = aria secca
pvvv = RvTv v = vapor d’acqua
p = pressione totale dell’aria umida
Calcolo della condensa da rimuovere
Formazione di condensa
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La temperatura raggiunta dall’aria a seguito del raffreddamento, determina la pressione di
saturazione del vapore. Entrambe le grandezze sono pertanto note.
Anche la pressione dell’aria compressa è nota.
Se conoscessi il grado igrometrico, sarebbero noti anche gli x grammi di vapore contenuti
nell’aria compressa che, confrontati con gli x0 grammi di vapore iniziale, determinano la quantità
di acqua che condensa.
All’uscita di uno stadio di compressione, la pressione dell’aria risulta triplicata e, secondo la
legge di Dalton, lo stesso accade alla pressione parziale del vapore. Le elevate temperature di
fine compressione sono comunque tali da determinare una elevata pressione di saturazione del
vapore, maggiore rispetto alla sua pressione parziale (φ<1).
L’aria all’uscita dallo stadio di compressione viene raffreddata sotto i 40°C: raffreddando l’aria (e
quindi anche il vapore), la pressione di saturazione del vapore cala (l’aria può contenere meno
vapore). Quando pressione parziale e pressione di saturazione del vapore si eguagliano, inizia
a formarsi della condensa (φ=1).
Pertanto, a valle dello scambiatore di calore siamo sempre in condizioni di saturazione: φ = 1.
𝐱 = 𝟎, 𝟔𝟐𝟐𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)
𝐩 − 𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)
Formazione di condensa
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𝐱𝐬𝐚𝐭 = 𝟎, 𝟔𝟐𝟐𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)
𝐩 − 𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)
Nel secondo stadio di compressione l’aria entra in condizioni di saturazione (situazione limite
per evitare che delle goccioline arrivino nel cilindro) per essere compressa. Tuttavia l’aumento
di temperatura dovuto a perdite e compressione, fa aumentare la pressione di saturazione del
vapore, allontanando l’aria dalle condizioni di saturazione.
(Si osservi come x sia inversamente proporzionale a p)
Anche nel serbatoio d’accumulo e lungo la rete
di distribuzione si ha l’estrazione di condensa.
L’aria è infatti in condizioni di saturazione e una
diminuzione della temperatura del sistema
comporterebbe una diminuzione della
pressione di saturazione e si avrebbe quindi
condensazione.
Perdite di carico lungo il circuito comportano
una diminuzione della pressione e, quindi, un
allontanamento dalle condizioni di saturazione.
Formazione di condensa
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Produzione di aria compressa
Formazione di condensa
Agenda
Dimensionamento e componenti
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Dimensionamento dell’impianto:
1) La programmazione delle utenze determina la portata di aria da comprimere.
2) La pressione richiesta dall’utenza più sfavorita (maggiori perdite di carico) determina la
pressione a cui produrre l’aria compressa.
3) Si procede quindi definendo la tipologia e la taglia del compressore.
4) Si definisce la quantità di calore da asportare dalle camicie del compressore (compressore
alternativo) e l’acqua necessaria.
5) Si calcola la potenza di raffreddamento necessaria per raffreddare l’aria negli scambiatori
intermedio e finale.
6) Si calcola la condensa da asportare.
7) Si dimensiona il serbatoio.
Non marginale è poi l’individuazione di tutti gli elementi di regolazione o di salvaguardia
necessari alla realizzazione dell’impianto come valvole termostatiche, filtri dell’acqua, filtro
dell’aria, …
Dimensionamento e componenti
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Servizio
Il primo passo da compiere per
dimensionare l’impianto è redigere un
elenco delle utenze che devono essere
servite.
I parametri fondamentali legati ad un utenza
sono il consumo a pieno carico, il
coefficiente di utilizzo ed il fattore di
contemporaneità.
Il coefficiente di utilizzo indica la frazione di
tempo durante la quale l’utensile
pneumatico considerato verrà impiegato,
rispetto al tempo necessario a compiere
l’intero ciclo di lavorazione (takt time).
Es:
takt time = 10 min e coeff. di utilizzo = 0,25.
L’avvitatrice considerata lavora 2,5 minuti
ogni ciclo di lavorazione.
Moltiplicando il consumo a pieno carico di un utensile pneumatico per il tempo di funzionamento
dell’utensile, è noto il volume di aria compressa richiesta.
Dimensionamento e componenti
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Un ulteriore parametro fondamentale da tenere in considerazione è il coefficiente di
contemporaneità.
Se più utensili lavorano contemporaneamente, bisogna comunque essere in grado di fornire
a ciascuno di essi la portata di aria compressa richiesta.
Bisogna pertanto dimensionare l’impianto sulla portata massima istantanea richiesta e non
sulla portata media.
È bene quindi cercare abbassare il coefficiente
di contemporaneità trasferendo i picchi di
produzione in altri periodi di tempo, al fine di
abbassare la massima portata istantanea
richiesta (costi di impianto e consumi
energetici minori).
Dimensionamento e componenti
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Si potrebbe pensare di non dimensionare il compressore rispetto alla
portata massima istantanea e ricorrere ad un serbatoio d’accumulo.
Accumulare aria compressa tuttavia non è così semplice.
Per serbatoi in pressione infatti, per evitare di avere elevate tensioni
circonferenziali occorrono spessori s del serbatoio importanti (con
conseguenti maggiori costi sia per la materia prima che per le lavorazioni
meccaniche)
Di fatto non si realizzano mai accumuli importanti (dimensioni massime
intorno al m3; al massimo si collegano più serbatoi in parallelo per realizzare
volumi maggiori).
Il serbatoio serve solo come elemento di compensazione per sopperire ai carichi di punta e,
pertanto, bisogna dimensionare l’impianto rispetto alla portata massima istantanea richiesta
dall’utenza.
Per un dimensionamento di massima del serbatoio si può ricorrere alle seguenti relazioni:
k = 50 ÷ 100 Q < 100 m3/hk = 100 ÷ 300 100 m3/h < Q < 600 m3/hk = 300 Q > 600 m3/h
V =Q
k
Dimensionamento e componenti
R
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Sul serbatoio sono installati i seguenti dispositivi:
• Una valvola di sicurezza VS;
• Un indicatore di pressione PI;
• Un pressostato differenziale P che comanda l’accensione o
lo spegnimento del motore elettrico del compressore
qualora la pressione nel serbatoio cala sotto un valore
minimo o eccede un valore massimo.
• Uno scaricatore di condensa con filtro di protezione e tubo
equilibratore
• Uno scarico manuale.
Dimensionamento e componenti
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Dimensionamento e componenti
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Rete di distribuzione
Dimensionamento e componenti
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Rete di distribuzione
Ogni volta che si ha una derivazione, l’aria viene introdotta sempre dal basso in pozzetti di
raccolta in maniera tale che l’aria sale verso l’alto per continuare il suo percorso, mentre le
goccioline di condensa drenano verso il fondo del pozzetto.
Anche lungo la linea vengono posti pozzetti con scaricatori di condensa.
Le derivazioni che arrivano alle utenze vengono sempre prelevate dall’alto rispetto alla condotta
di aria compressa per evitare di prelevare condensa.
L’architettura della rete di distribuzione è tale che ogni linea ha sempre una pendenza di almeno
il 4÷5 ‰ per permettere alla condensa di drenare facilmente fino al pozzetto di raccolta e
scaricatore di condensa.
Dimensionamento e componenti
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Riduttori di pressione
È spesso necessario o utile (ad esempio per allontanarsi dalle condizioni di saturazione) ridurre la pressione
di una linea.
Il riduttore di pressione monitora la pressione a valle. Affinché venga prelevata la pressione statica, la presa
di pressione deve essere posizionata un numero di diametri sufficientemente distante dall’ultima
accidentalità prima e dopo la presa di pressione stessa (UNI EN ISO 5167).
A valle del riduttore è presente un tratto di tubazione divergente seguito da tubazioni di diametro maggiore
(ciò è conseguenza della riduzione di pressione)
Sempre a valle del riduttore è installata una valvola di sicurezza per garantire che la linea di bassa
pressione non raggiunga mai la pressione della linea a monte del riduttore.
Dimensionamento e componenti
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Raffreddamento a ciclo chiuso
L’acqua per il raffreddamento proviene da una torre
di raffreddamento
L’acqua contiene sempre dei gas in soluzione (es:
aria) e quando si scalda, tende a rilasciarli
compromettendo lo scambio termico. All’uscita dal
primo stadio di compressione viene quindi
posizionato uno scaricatore di aria (jolly).
Usciti da primo stadio l’acqua entra nello
scambiatore aria compressa - acqua e poi raggiunge
la seconda camicia.
Occorre quindi garantire una portata di acqua
sufficiente a raffreddare tutte queste utenze in serie.
All’uscita della seconda camicia è installata una valvola a 3 vie comandata come una valvola termostatica:
se la temperatura in ingresso alla valvola non è sufficientemente alta per essere inviata alla torre di
raffreddamento (es: all’avviamento), l’acqua viene fatta ricircola e rimanda al compressore. A regime l’acqua
torna invece alla torre di raffreddamento.
Dimensionamento e componenti
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Raffreddamento a ciclo aperto
Per piccole applicazioni dove le
necessità di raffreddamento del
compressore sono modeste, si può
adottare un sistema di raffreddamento
con acqua a perdere, prelevando acqua
dall’acquedotto.
All’uscita dalla seconda camicia, si
notano in figura un pozzetto per
l’alloggiamento del bulbo della valvola
termostatica, un filtro a protezione della
valvola termostatica, la valvola
termostatica (dotata di bypass in caso di
guasto) e un indicatore di flusso.
Dimensionamento e componenti
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Raffreddamento a ciclo chiuso con reintegro e
controllo di temperatura
Architettura per compressori di piccole-medie dimensioni
con necessità di raffreddamento non troppo elevate.
Un galleggiante controlla la portata di acqua nuova al
serbatoio.
Sul ramo di deviazione troviamo un filtro (a protezione
della valvola termostatica) e una valvola termostatica. Il
bulbo della valvola termostatica deve essere posizionato
in un punto dove possa rilevare una temperatura
significativa.
L’acqua viene prelevata dal serbatoio tramite una pompa
e inviata agli stadi da raffreddare.
Il serbatoio è a cielo aperto, pertanto si raffredderà
scambiando calore tramite le parete e la superficie, e
cedendo umidità all’aria esterna.
Se la temperatura dell’acqua nel serbatoio dovesse salire eccessivamente, la valvola termostatica si apre e
viene introdotta nuova acqua.
L’acqua in eccesso viene scaricata in fogna attraverso il troppo pieno: il raffreddamento è con acqua a
perdere solo quando la temperatura sale sopra un certo valore).
Dimensionamento e componenti
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Scambiatore aria compressa - acqua
Si tratta di uno scambiatore a fascio tubiero a tubi d’acqua.
È un cilindro in pressione sviluppato in senso longitudinale (se il raggio è modesto, si può
ridurre lo spessore del mantello senza aver ripercussioni dal punto di vista delle tensioni
tangenziali: 𝜎 ∝ Τ𝑝𝑅 𝑠 )
Lo scambio avviene in controcorrente (in realtà si avranno correnti incrociate).
All’uscita dallo scambiatore l’acqua entra in un economizzatore (valvola termostatica) preceduta
dal proprio filtro di protezione. È bene osservare come la valvola termostatica viene sempre
installata a valle dell’impianto, in maniera tale da mantenere l’impianto alla propria pressione
massima possibile: così facendo anche per temperature elevate ci si allontana dalle condizioni
di saturazione.
Dimensionamento e componenti
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Separatore di condensa
Si tratta di un separatore inerziale.
All’interno vi è un setto intermedio che separa
ingresso e uscita. L’aria è costretta a transitare
attraverso settori circolari: le goccioline
sospese soggette a forza centrifuga vanno a
collidere con le pareti e vengono separate. Il
film liquido che si forma viene raccolto verso il
basso e arriva allo scaricatore di condensa.
Il separatore di condensa deve essere
sovradimensionato per permettere l’estrazione
di condensa in qualunque situazione (es: a
seguito di un calo generale della temperatura
dell’aria compressa in rete).
La presenza di un separatore di condensa, pur essendo indispensabile, penalizza il rendimento
dell’impianto.
Dimensionamento e componenti
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Scaricatore di condensa
Un piccolo galleggiante apre la luce di scarico quando
la condensa raccolta raggiunge un certo livello.
Problema dell’invaso: se il condotto tra separatore di
condensa e scaricatore di condensa è troppo piccolo,
si possono formare dei tappi di aria che impediscono
alla condensa di scendere verso lo scaricatore (la
pressione dell’aria è pari alla pressione di rete più il
battente di acqua condensata che cerca di
raggiungere lo scaricatore).
Per evitare ciò si utilizza il tubo equilibratore che
libera l’invaso di aria e fa in modo che l’acqua possa
scendere.
Condotti di scarico troppo grandi, comportano una
fuoriuscita di aria compressa non trascurabile dato
che il salto di pressione tra l’aria contenuta nello
scaricatore di condensa e l’ambiente può raggiungere
gli 8-9 bar.
Dimensionamento e componenti
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Portata di fuga:
In fase di collaudo di un impianto per la produzione di aria compressa,
si chiudono tutte le utenze (ogni stacco è infatti dotato di una propria
valvola di intercettazione a sfera) e si mette in funzione l’impianto.
La pressione dell’impianto crescerà fino ad un valore di pressione
massimo p1, raggiunto il quale, il pressostato di massima ferma
l’impianto.
A impianto fermo e in assenza di utenze, la pressione della rete inizia
a calare a causa dei trafilamenti.
Con un manometro e un cronometro si vede in quanto tempo (τ) la pressione cala fino a raggiungere il
valore di ripartenza p2. Il volume di aria persa dalla rete a causa di trafilamenti è pari a V = qτ .
La portata di fuga q non è nota.
Quando il compressore riparte, si misura il tempo necessario τ’ per tornare a p1. Il volume di aria
reintrodotto è pari a quello elaborato dal compressore al netto delle fughe (sempre presenti): V = Q − q τ′.
Vale la relazione: 𝐪𝛕 = 𝐐 − 𝐪 𝛕′ dalla quale è possibile stimare la portata di fuga.
A cause dei trafilamenti presenti, il rendimento volumetrico dell’impianto risulterà quindi peggiorato di un
ulteriore fattoreQ−q
q.
Dimensionamento e componenti
Corso di Impianti Meccanici – Laurea Triennale
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Impianti per la produzione di aria compressa
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
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