Quali domande porsi quando si affronta l’allestimento di un nuovo impianto, un ampliamento o un aggiornamento di un impianto di aria compressa?
il compressore è il cuore del sistema di generazione d’aria compressa per uso industriale e diverse sono le tecnologie disponibili: a pistoni, a vite, a palette, centrifugo e scroll (ovvero a
spirale).
Vediamo sinteticamente la principali differenze e caratteristiche:
- Il compressore a pistoni viene normalmente utilizzato per portate relativamente basse, e nell’ambito indicativo di 10/15 bar di pressione come per il settore dentale; oppure per le alte
pressioni fino a oltre 450 bar come per le attività subacquee o ospedaliere. - Se parliamo invece dei compressori a vite, da 7 a 500 kW questi sono dominanti in quasi tutte le applicazioni con pressioni dai 7 a 13 bar. Peraltro sono presenti anche con potenze da 2
a 5 kW. - Un’altra tecnologia è quella dei compressori a palette, di cui la robustezza universalmente riconosciuta, ne è il motivo principale della sua diffusione.
- Per quanto riguarda il compressore centrifugo, una tecnologia oil-free per natura, rappresenta la scelta -possiamo dire – unica, quando si opera con portate medio-grandi (indicativamente da 30 m3/min e 200 kW in su) e in particolare quando ci si trova a dover erogare basse pressioni come nell’industria del vetro, attorno ai 3 bar. Nella versione multistadio, peraltro, può raggiungere anche valori di pressione elevati.
- In ultimo vogliamo citare il compressore scroll o a spirale. Si tratta di un compressore oil-free, particolarmente adatto dove serve aria secca e pulita, con pressioni fino a 10 bar e potenze
fino a 15 kW.
Sono presenti sul mercato soluzioni modulari con più unità pompanti.
Nella ricerca del maggiore risparmio possibile, e quando si opera con potenze importanti, diventano economicamente vantaggiose le macchine bistadio, a volte con 2 motori elettrici e due inverter, ciascuno dedicato a un singolo stadio o addirittura tristadio, come per i compressori centrifughi.
Caratteristiche ricercate e apprezzate sono anche: la riduzione del foot-print, il raffreddamento del motore ad acqua e l’uso di motori a magneti permanenti.
Lube, oil-free, oil-less e silicon-free
Nella maggioranza delle applicazioni vengono impiegati compressori lubrificati. In alcuni settori come l’alimentare, il farmaceutico, il chimico, l’oil & gas e altri ancora, si richiede l’assenza
di idrocarburi nell’aria compressa e la conformità alle classi di purezza indicate dalla norma ISO 8573-1:2010.
La scelta in questi casi si orienta verso quelle macchine dove l’aria compressa non giunge in contatto diretto con la lubrificazione e, naturalmente, andrà anche posta particolare attenzione alla qualità di quella “ambiente” aspirata, che non deve contenerne vapori o gas.
L’olio nei compressori ha due funzioni: la lubrificazione e la rimozione del calore della compressione. In questo tipo di compressori l’olio per la lubrificazione ha un circuito diverso da quello dove
circola l’aria compressa. Un compressore oil-free comunque produce condensa e quindi il suo trattamento sarà presente a valle, come la rimozione dei contaminanti. Anche per le macchine
non lubrificate ci sono varie tipologie di compressione e la scelta, anche in questo caso, è in funzione della portata e della pressione dell’aria compressa, come per le lubrificate.
Esistono poi i compressori oil-less che sono totalmente privi di olio, dove viene utilizzata acqua per la lubrificazione e il raffreddamento: anche in questo caso l’impianto è dotato a valle
di un sistema per l’eliminazione/diminuzione dei contaminanti in conformità a quanto prescritto dalla norma ISO 8573-1:2010.
Oggi grazie all’utilizzo di pacchetti di trattamento dell’aria compressa composti da essiccatore con dew point fino a -70 °C e una filtrazione spinta (a volte confiltri a letto di carbone attivo per trattenere i vapori) è possibile raggiungere una certificazione ISO “classe zero” o comunque una qualità dell’aria conforme a quanto necessario al processo per cui è generata.
La macchina oil-free garantisce che, anche in caso di avaria di qualche componente del pacchetto di trattamento, l’aria sia sempre priva di lubrificante.
Nelle applicazioni dove l’aria compressa è in contatto col prodotto, come nei settori alimentare o farmaceutico, si preferisce avere un compressore oilfree, nonostante il maggior costo della
macchina e, in alcuni casi, della manutenzione e del maggiore consumo energetico. Con l’oil-free, impiegando meno olio, si producono meno rifiuti da smaltire. Anche le pressioni operative possono risultare più basse, dovendo prevedere una minore filtrazione a valle. Recentemente sono apparse anche macchine certificate silicon-free, per gli impieghi dove questo è richiesto.
Funzionamento e regolazione
Qualunque scelta si debba fare per la generazione dell’aria compressa, le prime domande da porsi (dopo aver valutato se serva aria oil-free o meno, e quale fosse la tecnologia del compressore più adatta) si possono sintetizzare in due quesiti: quale sia la portata richiesta e quale la pressione necessaria per il processo che deve essere alimentato.
Unitamente ai dati citati, vanno anche considerate le condizioni di funzionamento, ovvero se la domanda di aria sia continua o fluttuante e con che ritmo, se il compressore debba lavorare tutto il giorno, 24 ore su 24 e 7 su 7 giorni (condizioni che determinano la scelta della regolazione: on-off o a velocità variabile). A questo riguardo va tenuto presente che una macchina on-off funzionante al 100% ha una resa migliore, a parità di potenza nominale, rispetto a quella di una macchina a velocità variabile messa in funzione al 100%; non dimenticando che l’inverter ha anch’esso un consumo di energia.
Analisi dei consumi
Prima di proporre soluzioni circa l’impianto d’aria compressa, è opportuno effettuare un’analisi dei consumi in un tempo campione (utilizzando le rilevazioni di un sensore di portata), del grafico delle pressioni in gioco e dei valori di consumo elettrici alle macchine. Da questo tipo di analisi emergono anche l’entità delle perdite in rete e quindi degli sprechi energetici.
Mentre un tempo le perdite si cercavano effettuando necessariamente un fermo macchina e cercando un riscontro audimetrico prodotto dai soffi dall’aria in uscita, oggigiorno le perdite si possono individuare mediante audit con ultrasuoni.
Il controller di sala
Attualmente alcuni produttori sono in grado di fornire controller capaci di gestire impianti con diversi compressori e apparecchiature, come ad esempio gli essiccatori, in modo completamente ottimizzato grazie a collegamenti modbus con porta RS485 che permette di colloquiare con qualunque centralina.
Utilizzando compressori dotati di inverter in impianti con più macchine, è possibile ottimizzare i consumi facendole funzionare a cascata, mantenendo delle velocità ottimali. Ad esempio: il
controller, quando la prima macchina ha raggiunto l’80% della velocità, avvia la seconda e ambedue assolvono alla richiesta di aria compressa rimanendo tra il 40 e l’80 % della velocità. Viceversa, quando cala la domanda, il controller le ferma.
Anche la tecnologia centrifuga, grazie alla cosiddetta “parzializzazione” (turndown) e all’utilizzo di particolari valvole di aspirazione (IGV), consente di adattare il funzionamento in un campo di portate che mediamente va dal 100% (pieno carico) al 60-70% del carico, senza significative perdite di efficienza rispetto al punto di design ottimale.
In ultimo, per il nostro impianto non possiamo fare a meno di considerare il recupero di calore.
Recupero di calore
Il calore dell’aria compressa e della macchina possono essere recuperati sia per utilizzarli nello stesso processo produttivo, sia per immetterli nei circuiti acqua della struttura (per esempio nell’idraulica sanitaria). Va tenuto presente che, quando i compressori sono fermi, non producono calore e pertanto, qualunque sia il recupero scelto, deve essere previstauna fonte
alternativa di calore. Infinte, l’acqua calda può essere anche utilizzata per alimentare una pompa di calore e ottenere acqua refrigerata.