IMPIANTI DI ARIA OMPRESSA
Opzione 4 Impianto con diversi ventilatori controllati da
3.6 DISTRIBUZIONE DELL’ARIA COMPRESSA
3.6.1 Generalità
Un impianto di distribuzione dell’aria compres-sa inefficiente implica un aumento delle bollette energetiche e una riduzione della produttività e dell’efficienza degli utensili ad aria compressa.
Un impianto di distribuzione dell’aria compressa deve soddisfare tre requisiti: caduta di pressione limitata tra il compressore e il punto di consumo, perdite minime dalle tubazioni di distribuzione e separazione efficace della condensa in mancanza di un essiccatore dell’aria compressa.
Tali requisiti valgono per le tubazioni principali e per i consumi di aria compressa previsti per le esigenze attuali e future. I costi iniziali per l’in-stallazione di tubazioni e raccordi di diametro superiore sono bassi rispetto a quelli necessari per un futuro adeguamento dell’impianto di distribuz-ione. Il percorso della rete dell’aria, il progetto e il dimensionamento sono importanti dal punto di vista dell’efficienza, dell’affidabilità e dei costi di produzione di aria compressa. A volte una note-vole caduta di pressione nelle tubazioni è com-pensata dall’aumento della pressione di esercizio del compressore da 7 a 8 bar(e); questa soluzione, comunque, implica un aumento dei costi dell’ar-ia compressa. Inoltre, quando si riduce il consu-mo di aria compressa, la caduta di pressione e la pressione al punto di consumo aumentano oltre la soglia consentita.
Le reti fisse di distribuzione dell’aria compressa dovrebbero essere dimensionate in modo tale che la caduta di pressione nelle tubazioni non sia supe-riore a 0,1 bar tra il compressore e il punto di con-sumo più remoto. Occorre tenere conto anche della caduta di pressione nei flessibili, nei manicotti e in altri tipi di raccordi. È particolarmente importante dimensionare correttamente questi componenti, dal momento che la massima caduta di pressione spesso si riscontra proprio in questi collegamenti.
La lunghezza massima della rete di tubazioni per
una determinata caduta di pressione può essere calcolata utilizzando la seguente equazione:
l = lunghezza complessiva della tubazione [m]
∆p = caduta di pressione consentita nella rete [bar]
p = pressione di ingresso assoluta [bar(a)]
qc = portata di aria libera del compressore (FAD) [l/s]
d = diametro interno della tubazione [mm]
La soluzione migliore richiede la progettazione di una rete di tubazioni ad anello chiuso attorno alla zona di consumo dell’aria; da tale anello si dipar-tono le tubazioni secondarie dirette ai vari punti di consumo. Questo tipo di configurazione della rete garantisce una fonte d’aria compressa uniforme, anche se l’utilizzo è intermittente, in quanto l’aria arriva nel punto di consumo da due direzioni.
Questo sistema dovrebbe essere utilizzato in tutti gli impianti, ad eccezione di alcuni punti di consu-mo dove il fabbisogno d’aria è nettamente superi-ore e la distanza dall’impianto di aria compressa è notevole. In questi punti è opportuno predisporre una tubazione principale separata.
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3.6.1.1 Serbatoio dell’aria
Ogni impianto di aria compressa include uno o più serbatoi d’aria. Le dimensioni dipendono dalla capacità del compressore, dal sistema di regolazi-one e dalla modalità di consumo dell’aria. Il serba-toio dell’aria assolve a varie funzioni: è un conten-itore tampone, bilancia le pulsazioni provenienti dal compressore, raffredda l’aria e raccoglie la condensa, per cui deve essere dotato di un dispos-itivo di scarico della condensa.
Nel dimensionamento del volume di un serbatoio si applica la seguente relazione (valida solo per i compressori con possibilità di regolazione carico/
scarico):
© Atlas Copco Airpower NV, Belgio, 2016 V = volume del serbatoio dell’aria [l]
qC = FAD del compressore [l/s]
p1 = pressione di ingresso del compressore [bar(a)]
T1 = temperatura massima di ingresso del compressore [K]
T0 = temperatura dell’aria del compressore nel serbatoio [K] Per i compressori dotati di variatori di velocità (VSD), il volume del serbatoio dell’aria può essere ridotto notevolmente. Quando si utilizza la formu-la sopra riportata, il valore di qC deve considerato come FAD alla minima velocità.
Quando la domanda di aria compressa implica pic-chi elevati in brevi periodi di tempo, economica-mente non conviene dimensionare il compressore o la rete di tubazioni tenendo conto esclusiva-mente di queste condizioni di picco, ma è oppor-tuno predisporre un serbatoio dell’aria separato in prossimità del punto di consumo, dimensionato in base alla massima domanda d’aria.
In casi più estremi, per soddisfare elevati picchi di domanda a breve termine è opportuno predisporre un compressore ad alta pressione di taglia inferiore con un grosso serbatoio. In questo caso, la taglia del compressore deve essere scelta in base al con-sumo medio e il serbatoio può essere dimensionato in base alle seguenti relazioni:
V = volume del serbatoio dell’aria [l]
q = flusso d’aria durante la fase di svuotamen-to [l/s]
t = durata della fase di svuotamento [s]
p1 = pressione di esercizio normale nella rete [bar]
p2 = pressione minima per l’utenza [bar]
L = aria necessaria nella fase di riempimento [1/ciclo di lavoro]
La formula non tiene conto della possibilità del compressore di fornire aria durante la fase di svuotamento. Un’applicazione comune è l’avvia-mento di grossi motori navali, in cui la pressione di riempimento del serbatoio è 30 bar.
3.6.2 Progettazione della rete di aria compressa
Il primo punto nella progettazione e nel dimen-sionamento di una rete di aria compressa consiste nella compilazione di un elenco di tutte le appar-ecchiature che devono essere alimentate dall’aria compressa, con uno schema che ne riporta le sin-gole posizioni. Le utenze vengono raggruppate in unità logiche e vengono alimentate dalle stesse tubazioni di distribuzione, che a loro volta sono alimentate dalle montanti dell’impianto di aria compressa. Una rete di aria compressa di mag-giori dimensioni può essere divisa in quattro parti principali: montanti, tubazioni di distribuzione, tubazioni di servizio e raccordi di aria compressa.
Le montanti trasportano l’aria compressa prodotta dall’impianto alla zona di consumo;
le tubazioni di distribuzione suddividono l’aria nella zona di distribuzione; le tubazioni di servizio dirigono l’aria dalle tubazioni di distribuzione alle utenze.
3:35
Serbatoio dell'aria
Compressore Compressore Compressore
Se un impianto contiene vari compressori, il serbatoio dell'aria è sempre dimensionato in base al compressore di taglia maggiore.
tlas Copco Airpower NV, Belgio, 2016
3.6.3 Dimensionamento della rete di aria compressa
La pressione ottenuta immediatamente a valle del compressore generalmente non è mai totalmente utilizzabile, dal momento che la distribuzione dell’aria compressa implica una certa perdita di pressione, principalmente a causa dell’attrito nelle tubazioni. Nelle valvole e nelle curve delle tubazi-oni, inoltre, si verificano strozzamenti e cambi di direzione del flusso. Le perdite, che si convertono in calore, determinano cadute di pressione calco-labili con la seguente equazione, valida per tuba-zioni dritte:
∆p = caduta di pressione [bar]
qc = flusso d’aria (FAD) [l/s]
d = diametro interno della tubazione [mm]
l = lunghezza della tubazione [m]
p = pressione iniziale assoluta [bar(a)]
Nel calcolo dei vari componenti della rete di aria compressa è possibile utilizzare i seguenti valori per determinare la caduta di pressione consentita:
3:36
Compressore Serbatoio
dell'aria
Separatore dell'olio Essiccatore
a refrigerante Essiccatore ad adsorbimento Filtro
antipolvere
Tubazione di collegamento
Tubazione di servizio
Tubazione di distribuzione
Montante
© Atlas Copco Airpower NV, Belgio, 2016 Caduta di pressione nelle
tubazioni di servizio 0,03 bar Caduta di pressione nelle
tubazioni di distribuzione 0,05 bar Caduta di pressione nelle
montanti 0,02 bar
Caduta di pressione totale
nella rete di tubazioni fisse 0,10 bar Occorre determinare la lunghezza richiesta delle tubazioni per i vari componenti della rete (montan-ti, tubazioni di distribuzione e di servizio). A tale scopo, è possibile utilizzare una planimetria in
scala. La lunghezza delle tubazioni viene corretta con l’aggiunta delle lunghezze delle tubazioni per le valvole, le curve, le giunzioni ecc., come illus-trato nella Figura 3.36.
Come alternativa alla formula sopra indicata, nel calcolo del diametro delle tubazioni è possibile utilizzare un nomogramma (illustrato nella Figu-ra 3.37) per determinare il diametro ideale delle tubazioni. Per effettuare il calcolo occorre conos-cere la portata, la pressione, la caduta di pressione consentita e la lunghezza delle tubazioni. A questo punto, occorre determinare il diametro massimo e minimo delle tubazioni.
Le lunghezze delle tubazioni equivalenti per tut-3:37
Componente
Valvola a sfera (flusso totale)
Valvola a diaframma totalmente aperta
Valvola a squadra totalmente aperta
Valvola a otturatore
Valvola di ritegno a farfalla Gomito R = 2d
Gomito R = d
Angolo 90°
Raccordo a T con passaggio diretto Raccordo a T con passaggio laterale
Nipplo di riduzione
Lunghezza equivalente in metri
Diametro interno del tubo in mm (d)
Alcuni raccordi con le relative perdite nelle tubazioni di vario diametro. Le perdite vengono ricalcolate valutando la lunghezza corrispondente della tubazione (m).
tlas Copco Airpower NV, Belgio, 2016
ti i componenti dell’impianto vengono calcolate utilizzando un elenco di tutti i raccordi e i com-ponenti delle tubazioni con la resistenza al flusso espressa in lunghezza equivalente delle tubazioni.
Alla lunghezza delle tubazioni dritte viene aggi-unta una lunghezza supplementare. Le dimensioni scelte per la rete, quindi, vengono ricalcolate per accertarsi che la caduta di pressione non sia ecces-siva. Per gli impianti di dimensioni notevoli, le sin-gole sezioni (tubazioni di servizio, di distribuzione e montanti) dovrebbero essere calcolate separata-mente.
3.6.4 Misurazione del flusso
La collocazione strategica di appositi flussometri semplifica l’addebito interno e la ripartizione
eco-nomica dell’uso dell’aria compressa in azienda.
L’aria compressa è un mezzo di produzione che dovrebbe essere incluso nei costi di produzione dei singoli reparti aziendali. Da questo punto di vista, tutti gli interessati potrebbero trarre vantaggio dal tentativo di ridurre i consumi nei vari reparti.
I flussometri attualmente disponibili sul mercato forniscono vari dati: valori numerici per la lettu-ra manuale ma anche dati di misulettu-razione invia-ti direttamente a un computer o a un modulo di addebito.
Questi flussometri generalmente sono montati in prossimità delle valvole di intercettazione. Le misurazioni nelle tubazioni ad anello richiedono particolare attenzione, dal momento che il misu-ratore deve essere in grado di misurare i flussi in entrambi i sensi.
3:38 Lunghezza del tubo in metri
Diametro interno del tubo (mm) Portata dell'aria in m3/s (aria libera)
Pressione assoluta in kPa Caduta di pressione nel tubo in kPa
© Atlas Copco Airpower NV, Belgio, 2016