Produzione e Trattamento dell'Aria Compressa PDF

1 Unità Produzione e trattamento dell’aria compressa  1 Le grandezze fisiche fondamentali in pneumatica/Fundamental physical quantities in pneumatics...

1 Unità Produzione e trattamento dell’aria compressa  1 Le grandezze fisiche fondamentali in pneumatica/Fundamental physical quantities in pneumatics CLIL Content and Language Integrated Learning Durante la trattazione della pneumatica si farà spesso riferimen- During the discussion of pneumatics two physical quantities to a due grandezze fisiche: la pressione e la portata. will be often used: pressure and flow rate. Considerata l’importanza che rivestono queste due grandez- Given the importance of these two quantities, it is useful, even ze, è utile, anzi necessario trattarle anticipatamente, in modo necessary, to deal with them in advance, so as to remove any da togliere eventuali dubbi e incertezze: spesso infatti se ne doubts and uncertainties: in fact, improper usage is often made fa un uso improprio e a volte sono tra loro erroneamente of them and at times they are confused with or mistaken for confuse o scambiate. each other. Innanzitutto è comunque utile introdurre il concetto di First of all, it is however useful to introduce the concept of force, forza, che può essere considerata l’effetto o la causa della which can be considered the effect or the cause of pressure. pressione. 1.1 Forza F Si definisce forza una qualunque causa capace di modificare lo stato di quiete o di moto di un corpo. La forza è una grandezza vettoriale, quindi è definita non solo da un valore numerico o modulo, ma anche da un vettore che possiede una retta Figura 1 d’azione e un verso (figura 1). Vettore che definisce la forza. Il simbolo generalmente usato per la forza è F e la sua unità di misura nel sistema internazionale è il Newton N. Anche il peso P di un corpo è una forza, naturalmen- te definita da un valore numerico e da un vettore che ha retta d’azione verticale e m verso diretto verso il centro terrestre (figura 2). Ogni corpo possiede una massa, che può essere considerata come “la quantità di P materia che possiede”. L’unità di misura della massa è il chilogrammo (kg) e la rela- zione tra questa e il suo peso è espressa dalla seconda legge della dinamica: P = mg dove g è l’accelerazione di gravità, che sulla superficie terrestre vale mediamente: Figura 2 Vettore che definisce il peso. g = 9,81 m/s2 Nella pratica di tutti i giorni, non si è abituati a misurare la forza peso in Newton; è più facile orientarsi sulle forze espresse in kg. Non è infatti agevole dichiarare il pro- prio peso in Newton, e nemmeno le bilance ci vengono in aiuto: queste sono infatti tutte graduate in kg, secondo un sistema di misura abbandonato decenni or sono. Dal momento che il Sistema Internazionale di unità di misura è entrato in uso negli anni ’80, si devono allora modificare tutte le bilance e imporre a tutte le persone di esprimere la forza e il peso in Newton? Non è il caso. Occorre però eseguire una semplice variazione al nostro modo di esprimerci: invece di parlare di peso del nostro corpo, basterebbe parlare di massa del nostro corpo, mantenendo invariate le bilance e la loro unità di misura. In effetti, un oggetto che possiede il peso di 1 kg (vecchia unità di misura) possiede anche la massa di 1 kg (unità di misura nel Sistema Internazionale). Volendo calcolare il peso di questo oggetto, che possiede la massa m di 1 kg, si applicano le relazioni precedenti, ottenendo: P = mg = 1 kg · 9,81 m/s2 = 9,81 N 4 Unità 1 Produzione e trattamento dell’aria compressa 1.2 Pressione La pressione viene definita come rapporto tra la forza F e la l’area A della superficie sulla quale la forza agisce. Si immagini per esempio di P avere un piano Z su cui è appoggiato un oggetto parallelepipedo di peso P (figura 3). La pressione esercitata dall’oggetto sul piano può essere calcolata attraverso il rapporto tra il valore del peso P e l’area di appoggio A A dell’oggetto sul piano: Z P Figura 3 p= A Rappresentazione della forza peso P. Se poi, oltre alla forza peso P, si aggiunge un’ulteriore forza esterna F, pure premente sul piano (figura 4), allora la nuova pressione di- F venterà: P P+F p= A A Per quanto riguarda l’unità di misura, poiché le forze sono misurate Z in Newton (N) e le superfici in m2, allora la pressione, essendo il rapporto tra una forza e una superficie, sarà misurata in: Figura 4 Rappresentazione della forza peso N P unita a un'altra forza esterna F. m2 A questa unità di misura è stato assegnato il nome di Pascal (Pa). Pertanto, si può asserire che: N 1 Pa = 1 m2 Il Pascal (Pa) è però una unità di misura di pressione molto piccola: grossomodo è la pressione esercitata da un foglio di carta sul piano sopra il quale è appoggiato. Nel campo della tecnica è utile avere unità di misura efficaci. Non è ovviamente agevole misurare per esempio le lunghezze delle autostrade in mm, oppure il dia- metro di un filo in km, e pertanto verranno adottate quelle unità di misura che risultino compatibili con i relativi valori numerici. Le autostrade si misureranno in km e il diametro dei fili in mm, in modo da avere valori numerici dell’ordine di unità, decina o centinaia. Il Pascal non è adatto per misurare la pressione in pneumatica, pertanto risultano più efficaci i suoi multipli, per esempio il MPa (Mega Pascal). Si ricordi che il Mega = 1.000.000 = 106. Un’altra unità di misura spesso adottata è il bar, anche se non fa parte del Sistema Internazionale. Per definizione: N 1 bar = 10 cm 2 Le grandezze fisiche fondamentali in pneumatica/Fundamental physical quantities in pneumatics 5  Si può anche scrivere che: 1 bar = 105 Pa La forza di gravità che agisce sulle molecole di aria che circondano la terra determi- na la pressione atmosferica patm, il cui valore è, in condizioni normali e a livello del mare, di circa: patm = 1,013 bar Lo strumento di misura usato per misurare la pressione atmosferica è il barometro, che può essere metallico (figura 5) o a mercurio (figura 6). Figura 5 Figura 6 Barometro metallico. Barometro a mercurio. La pressione nei recipienti e tubazioni viene invece misurata tramite i manometri (figura 7). I manometri sono in genere tarati con riferimento alla pressione atmosferica, cioè in mancanza di pressione del fluido il loro indice si trova sullo zero (figura 7). In questo caso, la pressione misurata è considerata relativa o effettiva. I manometri invece che, in mancanza della pressione del fluido, indicano la pres- sione atmosferica, misurano la pressione assoluta. Questi tipi di manometri fanno riferimento al vuoto assoluto, cioè il loro indice si trova sullo zero in assenza com- pleta di pressione. La relazione tra le due pressioni è: passoluta = peffettiva + patmosferica Figura 7 Manometro tarato con riferimento alla pressione atmosferica. 1.3 Forza in spinta sullo stelo Si consideri ora un sistema composto da uno stelo V, da uno stantuffo S e da un cilindro C, chiuso sul fondo e contenente aria (figura 8). Figura 8 Sistema composto C S da uno stelo V, da uno stantuffo S e da un cilindro C. V 6 Unità 1 Produzione e trattamento dell’aria compressa Inserendo lo stantuffo nel cilindro ed esercitando una forza F sullo stelo, si ottiene la compressione dell’aria contenuta fino al raggiungimento di una condizione di equilibrio (figura 9). Figura 9 La forza F esercitata sullo stelo comprime l'aria F contenuta fino all'equilibrio. In questa situazione la forza F, premente attraverso lo stelo sullo stantuffo, genera una pressione p1 nell’aria interna. La pressione p1 può essere calcolata attraverso il rapporto tra la forza agente F e l’area di contatto A dello stantuffo con l’aria in pressione. F p1 = A Questa pressione, per il principio di Pascal, si riscontra in tutti i punti del fluido, viene esercitata su qualunque superficie a contatto con il fluido e in tutte le dire- zioni (figura 10). Figura 10 Rappresentazione del principio di Pascal. P1 F 1.4 Forza di tiro sullo stelo Si applichi una forza di tiro F sullo stelo del cilindro, chiuso sul lato dello stelo (figura 11). In questo caso, nella condizione di equilibrio, la pressione p2 è applicata solamente all’area aureolare dello stantuffo. Pertanto si avrà: F = p2 · (A – a) dove A è l’area dello stantuffo e a è l’area della sezione dello stelo. Figura 11 Forza F di tiro sullo stelo. P2 F 1.5 Effetti della compressione dell’aria Durante la riduzione di volume di un gas, possono presentarsi due casi distinti: 1. La compressione avviene in modo molto lento e le pareti del cilindro sono costituite di materiale conduttore al calore. In questo caso, la temperatura del Le grandezze fisiche fondamentali in pneumatica/Fundamental physical quantities in pneumatics 7  gas rimane grossomodo costante e la sua riduzione di volume V è direttamente proporzionale all’aumento della pressione assoluta p del gas, secondo la relazio- ne termodinamica: p · V = cost 2. La compressione avviene in modo rapido all’interno di un cilindro che pre- senta le pareti di materiale isolante al calore. In questo secondo caso, la riduzio- ne di volume segue una legge un po’ più complessa: p · V k = cost dove k dipende dal tipo di gas (k = 1,4 per l’aria). La compressione è accompa- gnata da un aumento della temperatura del gas: l’energia conferita dallo stan- tuffo al gas va in parte ad aumentarne la pressione e in parte ad aumentarne l’energia interna sotto forma di aumento di temperatura. Questo è il caso che si riscontra in tutte le macchine termiche e nei compressori. Esempio Si immagini di prelevare aria alla pressione atmosferica, cioè a circa un bar, alla temperatura di 20 °C, e di comprimerla fino al valore di pressione assoluta di 10 bar. Si possono fare due ipotesi distinte, esaminate precedentemente: la compressione avviene a temperatura costante; la compressione avviene senza scambio di calore con l’esterno. Nel primo caso, sulla base della relazione: p · V = cost si ottiene una diminuzione di 10 volte il suo volume, uguale al rapporto delle pres- sioni, mentre la temperatura si mantiene ovviamente a 20 °C. Nel secondo caso, si deve applicare la relazione: p · V k = cost La diminuzione di volume è solo di 5,2 volte, appena la metà della precedente, mentre è possibile calcolare la temperatura finale con la relazione: 1< k Tp k = cost dove T è la temperatura assoluta dell’aria. Eseguendo il calcolo, si ottiene come risultato che l’aria passa dal valore di 20 °C (293.16 °K) a 292 °C (565 °K). In molti casi c’è la necessità di accompagnare alla compressione anche un processo di refrigerazione, per mezzo del quale si ottengono due risultati: una maggiore riduzione di volume; una diminuzione di temperatura del fluido. 8 Unità 1 Produzione e trattamento dell’aria compressa Se invece il fluido compresso fosse un liquido, essendo questo incomprimibile non si avrebbe alcuna riduzione di volume. Da ciò si può dedurre che in un serbatoio è quindi possibile comprimere una grande quantità di gas che tende comunque a ritornare nelle condizioni di volume iniziali, con effetti che possono risultare devastanti in caso di scoppio del serbatoio. Questo pericolo non sussiste nel caso di liquidi: il volume non si riduce per effetto della pressione e quindi in caso di rottura del serbatoio non si hanno effetti deflagranti. 1.6 Portata La portata Q è definita come la quantità di fluido che scorre attraver- so una sezione di un condotto nell’unità di tempo (figura 12). La portata può essere inoltre misurata: in volume, e quindi si parlerà di portata volumetrica e si misu- rerà in m3/s; Q in massa, e quindi si parlerà di portata massica e si misurerà in kg/s. Conoscendo il valore dell’area della sezione A del condotto e della Figura 12 velocità v del fluido (figura 13), è possibile calcolare la portata vo- Rappresentazione della portata Q. lumetrica: Q=A·v Se per esempio l’area A viene misurata in m2 e la velocità in m/s, si ottiene una portata volumetrica Q in m3/s. Se poi si vuole calcolare la portata massica, allora è necessario conoscere il valore della densità o massa specifica b del fluido. A V In pneumatica, essendo l’aria comprimibile, è scorretto parlare di “portata volu- metrica”: in 1 metro cubo può essere infatti contenuta una quantità imprecisata di gas compresso e quindi, oltre al volume, si dovrebbe fornire anche il valore della pressione a cui è soggetto il gas. Figura 13 Per questa ragione, si possono adottare due tipi di portata: Conoscendo l'area della sezione A del condotto e la velocità v del la portata massica, cioè definire la massa di fluido che scorre nell’unità di tempo; fluido, si può calcolare Q. la portata volumetrica, ma a una pressione ben definita, per esempio alla pressio- ne atmosferica. Si parla in questo caso di volume espresso in Nm3 (Normal metro cubo), che ha appunto il significato di m3 di gas alla pressione atmosferica. 2 Generazione dell’aria compressa L’uso della pneumatica nei processi di produzione è molto diffuso. Attualmente non esistono più stabilimenti che non abbiano abbinato l’impianto di distribuzione dell’energia elettrica con l’impianto di distribuzione dell’aria compressa. I sistemi di produzione automatizzati sono costituiti essenzialmente da componenti pneumatici che necessitano, a seconda della prestazione richiesta, di aria compressa in adeguati quantitativi, la quale deve essere prodotta da opportune macchine, i compressori. I compressori sono macchinari che convogliano aria compressa, gas o vapori, aumen- tandone il valore della pressione. Generazione dell’aria compressa 9  I parametri principali per definire la prestazione di ogni compressore sono la porta- ta, in Nl/min (per compressori piccoli) oppure Nm3/min, e il rapporto di compres- sione o la pressione raggiunta in bar. Il Nl (Normal litro) consiste in un litro di gas (aria) alla pressione atmosferica. Le portate fornibili possono variare, a seconda del tipo di costruzione, da pochi Nl/min fino a 50.000 Nm3/min. Per la pneumatica si usano soltanto alcuni tipi di compressori condizionati dalla necessaria pressione di lavoro. I comandi pneumati- ci funzionano normalmente con una pressione d’aria di circa 6 bar. Il limite inferio- re è di circa 3 bar: al di sotto di questa pressione, le valvole distributrici presentano problemi di commutazione. Il limite superiore è di circa 15 bar, a causa di problemi di sicurezza. Pressioni superiori e inferiori sono possibili, ma solo per casi speciali. L’accessorio principale per la generazione di aria compressa è dunque il compresso- re, disponibile in vari tipi per differenti possibilità di impiego. 3 Tipi di compressori I compressori si distinguono in volumetrici e dinamici. Questi ultimi sono carat- terizzati da grandi portate (> 600 Nm3/min) e basse pressioni. Pressioni più elevate, utili nel campo della pneumatica, si ottengono solo tramite esecuzioni a più stadi e ciò ne limita molto l’impiego in questo settore. I compressori volumetrici, che trovano il loro specifico impiego proprio nel campo Figura 14 della pneumatica, si dividono a loro volta in compressori alternativi e in compres- Simbolo del compressore. sori rotativi. Dei primi si possono menzionare i compressori a pistone e i compressori a mem- brana; dei secondi si ricordano in particolare i compressori a palette, a vite e a lobi. 3.1 Compressori alternativi Il più diffuso compressore alternativo è il compressore a pistone. Il funzionamento di questo compressore è basato sul moto alternativo di un pistone (figura 15) e dalla aper- tura e chiusura di due valvole automatiche, poste rispettivamente in aspirazione e in mandata. Questo tipo di compressore è usato quando è richiesta una piccola portata, mentre in campo industriale è stato sostituito dai più silenziosi compressori rotativi. Figura 15 Funzionamento di un compressore Aspirazione Compressione a pistone. Figura 16 I compressori a pistone a un solo stadio realizzano una pressione d’uscita fino a circa 8 Compressore a doppio stadio con bar e, per casi speciali, fino a 10 bar. I compressori a doppio stadio con refrigerazione refrigerazione intermedia. intermedia (figura 16) raggiungono normalmente pressioni d’uscita di 15 bar. 10 Unità 1 Produzione e trattamento dell’aria compressa Compressori a 3, 4 e più stadi possono fornire una pressione finale superiore a 250 bar. Un cenno merita anche il compressore a membra- na, che basa il funzionamento sul moto alternativo di una membrana elastica. Il suo campo d’impiego è comunque limitato alle basse portate. Aria Aria atmosferica compressa 3.2 Compressori rotativi Per generare aria compressa si impiegano solita- mente i compressori rotativi. Nel compressore rotativo a palette, il rotore (fi- gura 17) è disposto eccentricamente rispetto alla carcassa, in modo da creare uno spazio a forma di Figura 17 Compressore a palette. falce che viene suddiviso in più celle, tramite le palette mobili che possono scorrere radialmente all’interno delle sedi ricavate nel rotore. Durante il movimento destrorso del rotore, le palette per effetto centrifugo su- biscono un movimento radiale e l’aria aspirata da sinistra, dato l’ingrandir- si delle celle, è compressa nelle celle stesse al lato destro del compressore. Il principio di funzionamento di un compressore rotativo a vite è molto simile a quello di una coclea. Una vite, posta in rotazione dal motore, è accoppiata a una seconda vite (figura 18) che ha la funzione di impedire all’aria di ritornare alla bocca di aspirazione. Nel compressore rotativo a lobi si hanno 2 rotori a forma di lobi che vengono fatti ruotare in sincronismo da una coppia di ruote dentate. I rotori possono avere 2 (figura 19a) o 3 lobi (figura 19b). I vantaggi dei compressori rotativi sono il loro funzionamen- to silenzioso e la generazione di aria quasi priva di pulsazioni. I com- pressori rotativi realizzano con uno stadio circa 4 bar e con due stadi circa 8 bar. Si possono raggiungere portate di 100 Nm 3/min, a seconda Figura 18 della grandezza. Compressore a vite. Figura 19a Figura 19b Compressore con rotori a 2 lobi. Compressore con rotori a 3 lobi. Tipi di compressori 11  4 Stazione di aria compressa/Compressed air station CLIL Content and Language Integrated Learning Oltre che alle utenze domestiche, i compressori mobili sono In addition to household appliances, portable compressors are utili anche alle aziende, ma solo quando servono come ap- also useful to businesses, but only when they serve as auxiliary parecchi ausiliari, o per scopi di ricerca. Indubbiamente è da equipment, or for research purposes. Undoubtedly, a stationary preferirsi l’apparecchiatura stazionaria, che ha il vantaggio di apparatus is preferable, since it has the advantage of ensuring a garantire una maggiore capacità, qualità dell’aria compressa greater capacity and better quality of compressed air, and it is e la possibilità di isolare i compressori dal resto della produ- possible to isolate the compressors from the rest of the production zione. Il montaggio di un impianto di aria compressa dovrà chain. The fitting of a compressed air system is to be carried out essere eseguito su ammortizzatori con apposite fondazioni. I on shock absorbers with appropriate foundations. generatori di aria compressa, a eccezione dei piccoli compres- Compressed air generators, with the exception of small com- sori, devono essere installati in una sala appropriata e isolata pressors, must be installed in an appropriate room isolated from dagli altri reparti. Il compressore deve poter aspirare possi- other departments. The compressor must be able to aspirate pre- bilmente aria fredda, in particolare aria asciutta e pulita. In ferably cold air, specifically clean and dry. presenza di aria sporca, si può ricorrere all’uso di uno o più In presence of dirty air, use may be made of one or more addi- filtri supplementari che depurano l’aria, convogliata verso i tional filters which purify the air conveyed to the compressors by compressori mediante opportune condotte. suitable pipelines. È importante sapere che la vita di un compressore dipende It is important to know that the lifespan of a compressor de- dal grado di depurazione dell’aria aspirata e che l’aspirazione pends on the degree of purification of the aspirated air and that di aria calda e umida porta a una quantità maggiore di con- the intake of hot and humid air leads to a greater amount of dense dopo la compressione dell’aria. condensation after air compression. 5 L’umidità nell’aria Nell’aria è sempre presente una certa quantità di umidità che è in relazione con la temperatura dell’aria stessa. Maggiore è infatti la temperatura dell’aria e maggiore è la quantità di vapore acqueo che può essere presente. La capacità di assorbire umidità aumenta quindi con la temperatura. Il massimo contenuto possibile di vapore che può essere contenuto è riportato nella tabella 1 ed è indicato con umidità assoluta di saturazione o punto di rugiada. Tabella 1 Temperatura in °C –10 0 5 10 15 20 30 50 70 90 Rapporto tra temperatura e umidità 3 nell'aria. Vapore acqueo in g/m 2.1 4.9 7 9.5 13 17 30 83 198 424 Si può notare dalla tabella che 1 m3 di aria avente la temperatura di 30 °C può contenere fino a 30 g di acqua. Questo non significa che 1 m3 di aria a 30 °C contenga sempre 30 g di acqua, cioè il 100% della sua capacità. Se per esempio ne contiene solo 6 g, allora l’umidità as- soluta (grammi di vapore contenuti nell’aria) è di 6 g/m3, mentre l’umidità relativa (umidità assoluta / umidità assoluta di saturazione) può essere calcolata con: 6 Umidità relativa = = 0,2 30 mentre: Umidità relativa ⋅ % = 20% La presenza di condense nell’aria compressa dipende dall’umidità relativa dell’aria aspirata e dalla sua temperatura. L’umidità relativa viene indicata in percentuale (rapporto fra umidità assoluta e quantità massima di vapore acqueo che l’acqua può 12 Unità 1 Produzione e trattamento dell’aria compressa contenere allorché è satura, come mostra la tabella 1). Generalmente l’umidità rela- tiva dell’aria varia, in funzione delle condizioni atmosferiche, tra il 20% e il 90%. Il compito del compressore è quello di comprimere l’aria che si trova alla pressione atmosferica (circa 1 bar) e di portarla a una pressione effettiva di valore p (pressione assoluta = p + 1 bar). Alla fine della compressione, il volume dell’aria è diminuito passando dal valore iniziale Vi, a quello finale Vf. Nell’ipotesi che l’aria compressa abbia riacquistato la temperatura all’inizio dell’aspirazione, si può scrivere: Vi Vf = p +1 5.1 Esempio Si comprimano 10 m3 di aria aspirata dalla condizione di pressione atmosferica, a una temperatura di 30 °C e con umidità relativa del 100%, attraverso una macchi- na che ha rapporto di compressione 10. Sapendo che la temperatura di uscita dell’a- ria è di 20 °C, si vuole conoscere la quantità di condensa generata dal processo. Soluzione Dalla tabella 1, che riporta l’umidità assoluta di saturazione, è possibile sapere che a 30 °C l’aria può contenere al massimo 30 g/m3. Nel caso specifico, avendo aria con umidità relativa = 100%, significa che 10 m3 di aria contengono: 10 · 30 = 300 g Alla fine della compressione il volume si ridurrà, assumendo il valore finale Vf. Vi Vf = = 1 m3 10 Ammettendo pure che l’umidità relativa sia ancora del 100%, a 20 °C l’aria com- pressa possiede al massimo 17 g/m3 e pertanto in un m3 la quantità di condensa generata vale: 300 g – 17 = 283 g 5.2 Esempio Tenendo conto che l’aria atmosferica contiene, a seconda delle condizioni mete- orologiche, umidità relativa del 60-90%, si vogliono comprimere 70 Nm3/h di aria atmosferica a 20 °C e 80% di umidità relativa a una pressione di 6 bar e a una temperatura ancora di 20 °C. Si vuole determinare la portata di acqua che viene scaricata dal compressore. Soluzione Innanzitutto, si può determinare la portata di aria in uscita dal compressore. Qvi 70 m 3 /h Qv f = = = 10 m 3 /h p +1 6 +1 Il valore massimo di vapore acqueo che può essere contenuto nell’aria a 20 °C è, secondo la tabella 1, di 17 g/m3. L’umidità nell’aria 13  Essendo l’umidità relativa dell’80%, allora l’umidità assoluta può essere calcolata con: 17 g/m3 · 80/100 = 13,6 g/m3 I 70 m3/h di aria che vendono aspirati dal compressore, possiedono pertanto una quantità di acqua: 13,6 g/m3 · 70 m3/h = 952 g/h Qualora l’aria in uscita dal compressore possieda una temperatura ancora di 20 °C, il valore massimo di umidità che può essere contenuto nell’aria è di 17 g/m3. La quantità di acqua contenuta in 10 m3/h di aria che esce vale: 17 g/m3 · 10 m3/h = 170 g/h La differenza di umidità contenuta nell’aria di ingresso e di uscita, risulta: 952 g/h – 170 g/h = 782 g/h di acqua che devono in un qualche modo essere separati dall’aria. 6 Schema di un impianto di produzione di aria compressa Si riporta in figura 20 lo schema di un piccolo impianto per la produzione di aria compressa. Possiamo individuare, contrassegnati dai numeri progressivi, i componenti seguen- ti: 1. motore elettrico a corrente alternata; 2. giunto di trasmissione motore-compressore; Figura 20 3. compressore; Schema di un impianto di produzione di aria compressa. 4. filtro aspirazione aria; 5. scambiatore di calore; 12 6. valvola unidirezionale; 10 11 13 7. serbatoio; 14 8. pressostato; 6 9 9. valvola di massima pressione o valvola di sicurezza; 7 10. manometro pressione serbatoio; 5 11. valvola di regolazione della pressione; 8 15 12. manometro pressione aria utilizzatore; 3 2 1 13. valvola di intercettazione; M 14. uscita utilizzatore; 15. scaricatore di condensa. 4 14 Unità 1 Produzione e trattamento dell’aria compressa 6.1 Descrizione del funzionamento L’aria, aspirata attraverso il filtro (4), è compressa e successivamente raffreddata dallo scambiatore di calore (5) per diminuirne il volume e la temperatura. La valvola di non ritorno (6) evita lo svuotamento del serbatoio (7) quando il com- pressore (3) è fermo. Al raggiungimento della pressione di taratura, indicata dal manometro (10), il pressostato (8) commuta i contatti interni fermando il moto- re elettrico (1). Per maggior sicurezza viene montata una valvola di massima pres- sione (9), valvola tarabile e normalmente chiusa che si apre solo nel caso in cui la pressione superi il valore di taratura. L’aria compressa viene inviata, attraverso la valvola di intercettazione (13), all’utilizzatore (14), con la dovuta pressione mi- surata dal manometro (12) e regolata dalla valvola regolatrice di pressione (11), che è normalmente aperta. Una valvola di scarico (15) della condensa, inserita nella parte bassa del serbatoio, elimina l’eventuale umidità presente nell’aria. 6.2 Il serbatoio Al serbatoio dell’aria compressa vengono demandati molti compiti. Il suo scopo primario è quello di accumulare l’aria per compensare eventuali irregolarità di generazione e di prelievo da parte dell’impianto pneumatico. In particolare, se il compressore è del tipo a pistone, devono essere previste delle pause che rista- biliscano la temperatura a livelli accettabili, specialmente se l’impianto è piccolo e sprovvisto di adeguato scambiatore di calore. Il suo secondo compito è quello di impedire a eventuali particelle di proseguire il loro percorso verso l’impianto di distribuzione. La terza funzione del serbatoio è quella di raccogliere eventuali condense di acqua che si accumulino nel fondo e che verranno eventualmente eliminate attraverso scaricatori automatici o manuali. Il suo quarto compito è quello, già accennato al punto uno, di contribuire a un ulteriore raffreddamento dell’aria contenuta. Qualora si necessiti di molta aria compressa, è più conveniente provvedere all’in- stallazione di due o tre compressori invece di uno. Nella disfunzione di un solo compressore si fermerebbero entro breve tempo tutti gli impianti pneumatici, poi- ché la riserva dei serbatoi di aria può garantire il funzionamento solo per alcuni minuti. Con impianti di compressori multipli, invece, è possibile far funzionare l’impianto pneumatico tenendo fermo un compressore alla volta, anche per eventuali controlli Figura 21 e manutenzioni periodiche. Pressostato. 6.3 Pressostato Il pressostato (figura 21) è un componente elettro-pneumatico che serve a inter- rompere e avviare il motore del compressore in funzione della pressione raggiunta dal fluido. Nel pressostato è alloggiato un pistoncino che, nel caso in cui la pressione del fluido superi l’azione della molla di contrasto, va ad agire su un micro-interrut- tore, interrompendo l’alimentazione del motore elettrico e quindi fermando il compressore. È possibile regolare il valore di taratura del pressostato attraverso una vite che, agendo sul carico della molla di contrasto, ne modifica la pressione di commu- tazione. Schema di un impianto di produzione di aria compressa 15  7 Aria compressa non lubrificata Le aziende che lavorano prodotti alimentari, articoli cosmetici, prodotti farmaceu- tici e medicali necessitano non solo di aria asciutta, ma soprattutto di aria esente da olio e da altri elementi inquinanti. I compressori consueti erogano aria più o meno arricchita di nebbia di olio, dovuta alla lubrificazione dei compressori stessi. L’industria offre a tale proposito compressori adatti che forniscono aria compressa esente da impurità. Ma anche qui, dopo la compressione, l’aria deve essere depura- ta dalla presenza di acqua; si installano pertanto filtri assorbenti per garantire una particolare purezza. L’essiccamento dell’aria richiede ulteriori accorgimenti, prima di essere inviata ai reparti di produzione. Figura 22 8 Distribuzione dell’aria compressa Schema di distribuzione dell'aria compressa. La distribuzione dell’aria compressa dal generatore all’utilizzatore avviene attraverso tubazioni che si diramano in tutti Pendenza 1 + 2% i reparti di lavorazione (figura 22). Accumulatore d’aria Unità di compressa entro un Le tubazioni vanno installate con lubrificazione impianto pneumatico una leggera pendenza (1%-2%), e regolazione per evitare eventuali ristagni di condense, e le diramazioni devo- Serbatoio no innestarsi nella parte superiore d’aria Accumulo del condotto principale. Compressore intermedio per più utilizzatori Utilizzatore La condensa eventualmente ac- Raccoglitore delle condense cumulata nella parte inferiore Scarico dell’impianto può essere elimina- ta dagli scaricatori di condensa. 9 Trattamento dell’aria compressa È opportuno sottoporre ad un particolare trattamento l’aria che deve essere in- viata ai componenti pneumatici. Questa operazione viene eseguita dall’unità di condizionamento ed è costituita da un filtro, un regolatore di pressione e un lubrificatore. L’intera unità è in genere proposta in un solo corpo: il gruppo FRL (figura 23). 9.1 Filtro L’aria compressa prelevata dalla rete trasporta con sé non solo le impurità dovute al- la aspirazione del compressore, ma anche polvere, scorie, particelle di ruggine della rete stessa. La maggior parte delle impurità della rete può essere eliminata inserendo un apposito raccoglitore per le condense. Le particelle più piccole, che comunque restano in sospensione nel flusso d’aria, potrebbero smerigliare e quindi rovinare le Figura 23 parti mobili degli elementi pneumatici. Gruppo FRL completo e relativo Il filtro (figura 24) viene inserito prima dei componenti pneumatici, con lo scopo di simbolo. depurare l’aria compressa da tutte le impurità e condense. 16 Unità 1 Produzione e trattamento dell’aria compressa L’aria proveniente dalla rete viene messa in rotazione da un cen- trifugatore scanalato. In questo modo, le impurità sono proiet- tate contro le pareti interne della tazza del filtro e si depositano insieme all’acqua di condensa, che si forma a causa del raffred- damento subito, sul fondo della tazza. L’aria passa infine attra- verso un elemento filtrante, la cui porosità è compresa fra 0,02 e 0,05 mm. La tazza del filtro è di solito in materiale plastico elemento trasparente o in ottone, per pressioni elevate. filtrante tazza del filtro 9.2 Regolatore di pressione Il flusso dell’aria varia continuamente, a causa dell’inserzione e disinserzione del compressore e in rapporto alla pressione nel ser- scarico condensa batoio di aria. Gli utilizzatori devono essere invece alimentati con una pressione costante. Figura 24 Sezione di un filtro (Pneumax). Il regolatore di pressione (figura 25) ha la funzione di tenere livel- lata la pressione di lavoro (pressione in uscita), indipendentemen- te dalla variazione della pressione di rete (pressione in entrata) e vite di regolazione dalla portata d’aria consumata dagli utilizzatori. La pressione in uscita, che deve essere sempre minore della pres- molla sione in entrata, è regolata da un cilindro a membrana. Un la- to della membrana è sottoposto alla pressione dell’aria in uscita, membrana mentre sul lato opposto è applicata una molla, la cui forza di com- pressione è regolabile tramite una vite. In tal modo, è possibile regolare la pressione dell’aria in uscita. entrata uscita Se la pressione in uscita aumenta, la membrana, che è in comu- nicazione con il condotto di uscita, viene spinta verso l’alto, vin- cendo la forza esercitata dalla molla. Il piattello della membrana, collegato per mezzo di uno stelo al sistema di chiusura della val- valvola vola, determina una maggior strozzatura. Figura 25 Se invece, a causa di un prelievo di aria, la pressione in uscita diminuisce, allora la Sezione di un regolatore di valvola riapre, permettendo un maggior flusso d’aria dall’ingresso all’uscita. In tal pressione (Pneumax). modo viene modificata di continuo, la luce di passaggio della sede della valvola. La regolazione della pressione in uscita si ha pertanto con una continua apertura e chiusura della sede della valvola. 9.3 Lubrificatore Per completare il trattamento dell’aria, occorre infine una lubrificazione che va a tutto vantaggio delle parti mobili degli elementi pneumatici. L’aria compressa non trattata può determinare la disfunzione degli elementi pneumatici e renderli inu- tilizzabili. Il lubrificatore (figura 26) deve portare agli apparecchi pneumatici una sufficiente quantità di olio lubrificante in forma di nebbia. La nebulizzazione deve essere tale da alimentare anche impianti estesi. L’aria entra nell’apparecchio e attraversa una sezione a forma di “Tubo Venturi”, causando un abbassamento di pressione nella parte più stretta che provoca un ri- chiamo d’olio dal serbatoio al polverizzatore, nebulizzandosi con l’aria passante. Il lubrificatore non funziona quando vi sono poca pressione e piccole portate di Figura 26 aria, perché queste non bastano per aspirare l’olio dal fondo. I lubrificatori usano Sezione di un lubrificatore solitamente oli minerali fini, tipo SAE 10. (Pneumax). Trattamento dell’aria compressa 17  Filtro separatore d’acqua con scaricatore automatico Filtro/separatore Deflettore Elemento filtrante Calotta di separazione Tazza Zona di quiete Protezione metallica Valvola di scarico Regolazione della pressione Manopola di regolazione Perno di regolazione Molla di regolazione Piattello del diaframma Diaframma Valvola Molla della valvola  Effetto Venturi Se un fluido percorre un tubo che presenta una strozzatura (figura 27), la pressione Figura 27 diminuisce nella zona di minor sezione. Il fenomeno, che a prima vista potrebbe Effetto Venturi. sembrare assurdo, è spiegabile attraverso il “Principio di conservazione dell’ener- gia”. Nell’ipotesi che nel suo breve percorso il fluido non cambi la sua temperatura e la sua quota, l’energia totale posseduta è somma dell’energia cinetica e di pressione. Poiché la strozzatu- ra impone un aumento della velocità e quindi dell’energia cine- tica, allora per ristabilire il bilancio energetico è necessario che diminuisca la sua energia di pressione e quindi la sua pressione. 10 Tecnica del vuoto In antitesi all’aria compressa, vediamo brevemente la tecnica che utilizza una pres- sione inferiore a quella atmosferica, erroneamente chiamata “vuoto”. In realtà il vuoto, inteso come vuoto assoluto, con nessuna presenza di molecole, non solo non è ottenibile in un laboratorio attrezzato, ma nemmeno ha riscontro negli spazi interstellari dove comunque abbiamo la presenza di qualche molecola in ogni m3. Dobbiamo allora riferirci ad un vuoto “relativo” definito da un certo grado di vuoto. Considerando che la pressione atmosferica, alla latitudine di 45°, a 0°C e al livello del mare, vale 1,013 bar (1013 mbar), oppure 1,013 × 105 Pa, definiamo i seguenti gradi di vuoto: Vuoto basso RV 1000 mbar ÷ 1 mbar 1 × 105 Pa ÷ 1 × 102 Pa –3 Vuoto medio MV 1 mbar ÷ 10 mbar 1 × 102 Pa ÷ 1 × 10–1 Pa –3 –7 Vuoto alto HV 10 mbar ÷ 10 mbar 1 × 10–1 Pa ÷ 1 × 10–5 Pa –7 –11 Vuoto ultra alto UHV 10 mbar ÷ 10 mbar 1 × 10–5 Pa ÷ 1 × 10–9 Pa Vuoto extra alto EHV < 10–11 mbar < 10–9 Pa Alcuni esempi di regime di vuoto: All’altitudine di 1000 metri 900 mbar Vuoto dell’aspirapolvere 800 mbar Generatore di vuoto 700 mbar Sul Monte Bianco (4810 m) 530 mbar Sul Monte Everest (8848 m) 320 mbar Pompa a vuoto (a secco) 130 mbar Pompa a vuoto (a bagno d’olio) 0,5 mbar Pressione atmosferica sulla luna 1,3 × 10–8 mbar Spazio interstellare 10–10 mbar 10.1 Generazione del vuoto Per creare e mantenere il vuoto si sono creati dispositivi che aspirano il gas conte- nuto nella zona in cui si vuole creare una depressione. Questi generatori di vuoto possono basare il loro funzionamento su principi pneumatici (Effetto Venturi) per mezzo di opportuni eiettori o attraverso motori elettrici che trascinano pompe o soffianti. 18 Unità 1 Produzione e trattamento dell’aria compressa  10.4 Pompe per vuoto a secco La pompa per vuoto a secco (figura 31) è una pompa rotativa costituita da un rotore provvisto di palette mobili che ruota eccentricamente all’interno di uno statore ed è dotato di scanalature nelle quali scorrono libere le palette che, per effetto di molle e della forza centrifuga, vengono spinte contro la parete interna dello statore, formando tante camere quante sono le palette. Figura 31 Schema di funzionamento di una pompa a vuoto. B B B Durante la rotazione oraria del rotore, la variazione di volume di queste camere crea pressioni dove il volume diminuisce e depressioni dove il volume aumenta. In particolare l’aumento di volume delle camere determina l’espansione adiabatica dell’aria (cioè senza scambio di calore con l’esterno) in esse contenuta generando in tal modo una depressione che costituisce la fase di aspirazione. Questa si protrae fino a quando non transita sul condotto di aspirazione la paletta successiva. La diminuzione di volume genera invece un aumento della pressione dell’aria che va a scaricarsi sul condotto di mandata. Il numero delle palette è funzione delle dimensioni della pompa e va da un minimo di 2 ad un massimo di 6. Queste pompe che possono funzionare senza l’impiego di lubrificante utilizzano le palette in grafite perché tale materiale possiede un’ottima proprietà lubrificante e buona resistenza all’usura. Va precisato che l’impiego di queste pompe è sconsigliato quando il fluido da aspirare contiene vapori o conden- se d’acqua o d’olio.