Dimensionamento di un impianto di aria compressa (impianti industriali) PDF

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Summary

cenni di manutenzione e gestione di un impianto
lezione riguardante appunto la manutenzione da ogni punto di vista e la gestione in termine di risorse, denaro, dipendenti, ecc....

Description

Dimensionamento di un impianto di aria compressa Aria Compressa L'aria compressa è una forma di energia immagazzinata che viene utilizzata per operare macchinari, attrezzature, o processi. L'aria compressa è utilizzata nella maggior parte del manufacturing e di alcune industrie di servizio, spesso dove è poco pratico o pericoloso usare l'energia elettrica direttamente per fornire l'alimentazione agli attrezzi ed alle attrezzature. Alimentato da elettricità, un tipico compressore d'aria impiega circa 7 volumi di aria alle condizioni atmosferiche, e lo comprime in 1 volume a pressione elevata (circa 7 bar). L'aria ad alta pressione risultante è distribuita alle attrezzature o agli attrezzi in cui rilascia l'energia utile all'attrezzo di funzionamento o all'apparecchiatura mentre è espansa di nuovo a pressione atmosferica. Nel processo di compressione, e il conseguente raffreddamento dell'aria a temperature ambiente, vengono rilasciati calore e umidità. L'eccesso di umidità dell'aria compressa deve essere gestito in quanto può causare problemi con le tubazioni (corrosione) e le apparecchiature di uso finale.

Il calore recuperato dal compressore d'aria può essere potenzialmente utilizzato come misura di efficienza energetica per altri processi, come il riscaldamento dell'acqua e degli spazi.

L’impianto di aria compressa: I sistemi ad aria compressa sono costituiti da una serie di sottosistemi e componenti principali. Essi sono suddivisi nel lato dell’alimentazione e della domanda. Il lato dell'alimentazione comprende compressori, trattamento aria e stoccaggio primario. Se è correttamente gestito genererà aria pulita, asciutta, stabile che è trasportata alla pressione adatta in un modo affidabile e redditizio. I principali sottosistemi di alimentazione dell'aria compressa in genere includono la presa d'aria, compressore d'aria (velocità fissa e/o velocità variabile), aftercooler, motore, controlli, attrezzature per il trattamento dell’aria, ecc. I controlli servono a regolare la quantità di aria compressa prodotta per mantenere costante la pressione del sistema e gestire l'interazione tra i componenti del sistema. Filtri dell’aria e deumidificatori tolgono umidità, olio e contaminant dall'aria compressa. Gli accumulatori di aria compressa (ricevitori umidi e asciutti) sono utilizzati per migliorare l'efficienza e la stabilità del sistema.

Il lato della domanda comprende tubazioni di distribuzione, accumuli secondari e attrezzature di uso finale. Un lato della domanda correttamente gestito minimizza i differenziali di pressione, riduce l'aria sprecata da perdite e drenaggi e utilizza aria compressa per applicazioni appropriate. I sistemi di tubazioni di distribuzione trasportano aria compressa dal compressore d'aria fino al punto di utilizzo finale dove è richiesto. Gli accumuli secondari sono utilizzati anche per stabilizzare la pressione del sistema. I compressori: Ci sono due tipi di base di compressori d'aria: 

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volumetrici; una quantità specificata di aria è intrappolata in una camera di compressione ed il volume che occupa è ridotto meccanicamente, causando un aumento corrispondente di pressione prima dello scarico. I compressori rotativi a vite, a palette e alternativi sono i più comuni presenti nelle industrie di piccole e medie dimensioni. dinamici; nei compressori dinamici (o turbocompressori) il fluido viene compresso sfruttando l'energia cinetica impressa al gas da opportuni meccanismi (si sfrutta il principio della variazione del momento della quantità di moto). I compressori dinamici dell'aria includono le macchine centrifughe ed assiali e sono utilizzati in impianti di produzione molto grandi.

Sistemi di controllo del compressore Poiché i sistemi di raramente a pieno tempo, la capacità efficientemente il utilizzatori della I controlli dei hanno un impatto consumo

aria funzionano carico tutto il di controllare flusso agli parte è essenziale. compressori significativo sul energetico,

soprattutto a flussi inferiori. Esistono diverse strategie di controllo individuale del compressore, tra cui:  

Start/Stop Carico/Scarico

Start/Stop: Lo Start/Stop è il più semplice controllo disponibile e può essere applicato sia ai compressori a vite alternativi che a quelli rotativi. Il motore che guida il compressore è acceso o spento in risposta alla pressione di scarico della macchina. Un semplice pressostato fornisce il segnale di start/stop del motore. Questo tipo di controllo non dovrebbe essere usato in applicazioni che abbiano cicli di carico molto frequenti, perché l’avvio ripetuto può provocare il surriscaldamento del motore e di altri componenti del compressore. Questo schema di controllo è usato tipicamente soltanto per le applicazioni con i cicli con carichi bassi e compressori di potenza inferiore a 20 kW. Load/Unload: Il controllo load/unload, noto anche come controllo a velocità costante, permette al motore di funzionare continuamente, ma scarica il compressore quando la pressione nel lato della domanda è adeguata. I produttori di compressori utilizzano diverse strategie per lo scarico di un compressore, ma nella maggior parte dei casi, un compressore a vite rotante non caricato consumerà dal 15 al 35 per cento dei kW a pieno carico senza fornire alcun lavoro utile. I principali component  I sistemi ad aria compressa sono costituiti dai seguenti componenti principali: 

Filtri aria di aspirazione, Inter-stage cooler, After cooler Essiccatori, Trappole per drenaggio dell'umidità, Accumulatori, Piping.

Filtri aria di aspirazione: evitano che la polvere entri nel compressore; La polvere provoca il blocco delle valvole, cilindri rigati, usura eccessiva ecc. Inter-stage cooler: riducono la temperatura dell'aria prima che entri nella fase successiva per ridurre il lavoro di compressione e aumentare l'efficienza. Sono normalmente raffreddati ad acqua. After cooler: l'obiettivo è di rimuovere l'umidità nell'aria riducendo la temperatura in uno scambiatore di calore raffreddato ad acqua. Essiccatori: le rimanenti tracce di umidità dopo l’aftercooler vengono rimosse utilizzando essiccatori ad aria, poiché l'aria per strumenti e apparecchiature pneumatiche deve essere relativamente priva di umidità. Trappole di drenaggio dell'umidità: le trappole di scarico dell'umidità sono usate per la rimozione di umidità nell'aria compressa. Vari tipi di trappole sono rubinetti di scarico manuale, valvole di scarico automatico, ecc. Accumulatori: hanno la funzione di accumulare l’aria compressa per stabilizzare la domanda al compressore e smorzare le variazioni di pressione dal compressore.

Accumulatori: Gli accumulatori sono utilizzati per fornire la capacità di stoccaggio dell'aria compressa, per soddisfare gli eventi di picco della domanda e contribuire a controllare la pressione del sistema smorzando il tasso di cambiamento di pressione in un sistema. Gli accumulatori sono particolarmente efficaci per sistemi con requisiti di flusso d'aria compressa ampiamente variabili. Un accumulatore posto dopo un compressore d'aria alternativo può fornire lo smorzamento delle pulsazioni di pressione, il raffreddamento dell’aria e la raccolta di condensa. Accumulatori primari: L’accumulatore dovrebbe essere dimensionato per dare una grande superficie di raffreddamento. Una formula semplice ed empirica spesso citata per il dimensionamento consiste nel considerare un valore pari a un minuto di uscita continua del compressore. Tuttavia, questo dovrebbe essere considerato indicativo della dimensione minima del ricevitore. Un'altra approssimazione può essere quella di dimensionare l’accumulo pari al 5% dell'uscita dell'aria libera oraria nominale. Accumulatori secondari: Alcuni layout industriali hanno attrezzature situate alla fine di un lungo tubo di distribuzione dell'aria, o macchinari che richiedono grandi quantità di aria compressa per brevi periodi di tempo. Questa circostanza provoca spesso importanti fluttuazioni di pressione con molti utilizzatori critici la cui richiesta di aria compressa può non venire soddisfatta. Questa condizione può essere alleviata dimensionando correttamente e localizzando un accumulatore d'aria secondario vicino al punto di alta domanda intermittente, se la domanda intermittente ha una breve durata, l'aria richiesta può essere fornita direttamente dall’accumulatore, piuttosto che fornire la portata extra mediante un compressore dedicato.

Accumulatori primari: Gli accumuli di aria primaria hanno un certo numero di usi importanti nei sistemi di aria:    

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Smorzare le pulsazioni di causate da compressori alternativi. Fornire una sistema per la separazione di acqua e lubrificante. Sopperire a richieste di picco senza dover prevedere un ulteriore compressore. Riduzione delle frequenze di carico/scarico o avvio/arresto per aiutare i compressori a vite in modo più efficiente e ridurre l'avviamento del motore. La molti compressori a vite hanno una protezione interna che impedisce più di 4 a 6 partenze all'ora. Rallentamento del cambiamento della pressione nel sistema per consentire un migliore controllo del compressore e pressioni del sistema più stabili.

Accumulatori secondari: Gli accumulatori secondari (situati nel sistema di distribuzione di un utilizzatore finale) hanno i seguenti scopi:  

Protezione degli utilizzatori finali sensibili da cali temporanei della pressione del sistema. Protezione degli utilizzatori finali multipli da grandi utilizzatori transitori di aria compressa.

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Garantire una generale stabilità di pressione in impianti con tubazioni di distribuzione sottodimensionate.

Piping layout: Ci sono due sistemi di base per il sistema di distribuzione:  

per

una singola linea dalla fornitura ai punti di utilizzo, noto anche come sistema radiale a pettine; sistema ad anello, dove l'alimentazione del lato della domanda è posizionata in un punto dell’anello chiuso. Il layout ad anello permette che ogni utilizzatore possa ricevere il flusso d'aria da entrambi i rami dell’anello principale. Inoltre, consente di dimezzare la lunghezza complessiva delle tubazioni riducendo la caduta di pressione.

Ove possibile, il sistema di tubazioni deve essere organizzato come anello chiuso consentire una più omogenea distribuzione dell'aria nei punti di consumo e per bilanciare la pressione nelle tubazioni. Servizi che richiedono un forte consumo d'aria e a lunghe distanze dal gruppo compressore devono essere forniti da linee aeree principali separate.

I tubi devono essere installati parallelamente alle linee dell'edificio, con le intestazioni principali e di ramo che scendono verso un punto ribassato in cui saranno installate le trappole per la raccolta e separazione della condensa. I punti di presa dei rami secondari saranno posizionati nella parte superiore dalla conduttura dell'aria compressa per evitare che la condensa raggiunga l’utilizzatore finale.

Free air delivery: La consegna di «aria libera» (Free Air Delivery) è una misura standardizzata della portata di un compressore d'aria. Rappresenta la portata (in alcuni casi il volume totale) di aria compressa fornita alle condizioni di temperatura, pressione e composizione all'ingresso del compressore.

Per calcolare l'erogazione dell'aria libera di un compressore, è necessario conoscere innanzitutto la pressione e la temperatura all'ingresso del compressore. Si misura anche la pressione e la temperatura dell'aria di uscita insieme portata fornita. La portata di uscita dell'aria si riferisce alle condizioni di ingresso utilizzando la legge gas ideale. Il valore di V1 è la FAD del compressore.

Portata totale di aria compressa: Il fabbisogno totale di aria per i dispositivi pneumatici non dovrebbe essere il totale del fabbisogno massimo individuale, ma la somma del consumo medio di aria di ciascuno. I dispositivi pneumatici sono azionati generalmente in modo intermittente e sono funzionati spesso ad un valore di portata inferiore a quella massima. La determinazione del consumo medio di aria è facilitata dall'uso del concetto del fattore di carico. Il rapporto tra il consumo effettivo dell'aria e il consumo massimo continuo di aria a pieno carico, ciascuno misurato in metri cubi di aria all'ora, è noto come fattore di carico. È essenziale che la migliore determinazione o stima del fattore di carico sia utilizzata per arrivare alla portata necessaria. Due elementi sono coinvolti nel calcolo del fattore di carico:  

il primo è il fattore tempo, che è la percentuale del tempo totale di lavoro durante il quale un dispositivo è effettivamente in uso; il secondo è il fattore di lavoro, che è la percentuale della massima portata oraria di aria necessaria per il lavoro effettivamente eseguito dal dispositivo rispetto a quella massima possibile.

Il fattore di carico è il prodotto del fattore tempo e fattore di lavoro. Per la determinazione di m3/h (aria libera) necessaria per vari utensili, la procedura deve essere la seguente:    

numero di strumenti (A), b) fattore di carico (prodotto del fattore tempo e fattore di lavoro) (B), c) m3/h per utensile (C), d) fattore di sicurezza, di solito 10-30% (SF).

Velocità dell’aria: La società britannica di aria compressa raccomanda una velocità massima di 6 -10 m/s in conduttura di distribuzione con punte fino a 15 m/s nelle brevi tratte all’utilizzatore finale.

Il sistema di distribuzione: Qualsiasi calo di pressione tra il compressore e il punto di utilizzo è una perdita irrecuperabile. Il sistema di distribuzione è quindi uno degli elementi più importanti della pianta ad aria compressa. Nel progettarlo, le seguenti regole generali dovrebbero essere osservate: Le dimensioni dei tubi devono essere sufficientemente grandi che la caduta di pressione tra i limit del lato dell’alimentazione dell'aria compressa (accumulatore primario) e delle unità di consumo non superi il 10%. Dove è possibile, un sistema è raccomandato il sistema ad anello chiuso. Questo dà una distribuzione a due vie al punto in cui la domanda di aria è maggiore. Il tubo dell’anello dovrebbe essere fatto abbastanza grande che la caduta di pressione non sia eccessiva a qualsiasi utilizzatore indipendentemente dalla direzione del flusso. Le linee di distribuzione lunghe, compreso quelle in un sistema ad anello, dovrebbero avere accumulatori situati vicino alle estremità lontane o ai punti con elevate richieste di picco di breve durata. Ogni linea aerea dovrebbe essere fornita di prese il più vicino possibile al punto di utilizzazione. Ciò permette l'uso di tubi flessibile di collegamento più corti ed evita le grandi cadute di pressione attraverso il tubo flessibile. Lo stacco delle prese deve sempre essere posto sulla parte superiore della tubazione per evitare che la condensa arrivi agli utensili. Tutte le tubazioni devono essere inclinate in modo che si scarichi verso un tratto di caduta o una trappola per la condensa, in tal modo la condensa potrà essere rimossa evitando di danneggiare l’utilizzatore finale. La pendenza delle linee deve essere sempre tali da evitare che il flusso ritorni verso il compressore. Una pendenza di circa (2,0 mm/m) può essere utilizzata, con scarichi forniti a tutti i punti bassi. Questi possono essere costituiti da un tubo corto con una trappola o semplice rubinetto per lo scarico. Per i sistemi che usano soltanto il compressore oil-free, è suggerito vivamente l’uso di tubazioni resistenti alla corrosione. A differenza di un sistema che utilizza compressori lubrificati in cui si formerà un film di olio in grado di proteggere il tubo dall'effetto corrosivo dell'umidità nell'aria, un sistema non lubrificato sarà soggetto alla corrosione.

Il calcolo della caduta di pressione: La caduta di pressione in tubi dritti può essere calcolata come segue: Dove:     

Δp = caduta di pressione (bar) Q(C)= aria richiesta (m3/s di aria libera) L = lunghezza (m) d = diametro interno (mm) p = pressione (bar) (ABS)...