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Due principi di base della compressione: compressione volumetrica e compressione dinamica

Compressor Types Compressors Basic Theory Compressed Air Wiki Compressed Air

Prima di poter presentare i vari metodi di compressione e i diversi compressori, occorre illustrare i due principi di base della compressione dei gas. Tali principi verranno poi confrontati, e saranno descritti i vari compressori delle relative categorie.

Quali sono i due principi di base della compressione?

compressione volumetrica e dinamica

Esistono due principi generali di compressione dell'aria (o dei gas), vale a dire la compressione volumetrica e quella dinamica. La prima include ad esempio i compressori alternativi (a pistone), i compressori orbitali (scroll) e le varie tipologie di compressori rotativi (a vite, a camme e a palette). Nella compressione volumetrica, l'aria viene aspirata in una o più camere di compressione, che vengono poi chiuse dal lato di ingresso. Il volume di ciascuna camera diminuisce gradualmente e l'aria viene compressa al suo interno. Quando viene raggiunto il rapporto di compressione da progetto, si aprono una luce o una valvola e l'aria viene scaricata nel sistema di uscita dalla costante riduzione del volume della camera di compressione.

Nella compressione dinamica, l'aria viene aspirata fra le palette di una girante di compressione in rapida rotazione, e accelera fino a raggiungere una velocità elevata. Il gas viene quindi scaricato attraverso un diffusore, dove l'energia cinetica viene trasformata in una pressione statica. La maggior parte dei compressori dinamici è costituita da turbocompressori con uno schema di flusso assiale o radiale.

Che cosa sono i compressori volumetrici?

compressore a pistone

Le pompe da bicicletta realizzano la forma più semplice di compressione volumetrica: l'aria viene aspirata in un cilindro e compressa da un pistone mobile. I compressori a pistone si basano sullo stesso principio di funzionamento e utilizzano un pistone il cui movimento avanti e indietro è ottenuto mediante una biella e un albero motore in rotazione. Se per la compressione viene utilizzato un solo lato del pistone, il compressore è detto a effetto singolo. Se vengono utilizzati sia il lato superiore, sia quello inferiore del pistone, il compressore è detto a doppio effetto.

Il rapporto di compressione è il rapporto fra la pressione assoluta dai lati di ingresso e di uscita. Una macchina che aspira aria alla pressione atmosferica (1 bar(a)) e la comprime fino a una sovrapressione di 7 bar ha pertanto un rapporto di compressione pari a (7 + 1)/1 = 8.

Schema di compressione dei compressori volumetrici

I due grafici riportati di seguito mostrano (rispettivamente) la relazione fra la pressione e il volume per un compressore teorico e uno schema di compressione più realistico per un compressore a pistone. Il volume della corsa è il volume del cilindro che il pistone spazza durante la fase di aspirazione. Il volume morto è quello presente al di sopra del pistone e appena al di sotto delle valvole di ingresso e di uscita; per motivi meccanici, tale volume deve sempre essere presente nel punto di inversione superiore del pistone.


La differenza fra il volume della corsa e quello di aspirazione è dovuta all'espansione dell'aria che rimane nel volume morto prima dell'inizio dell'aspirazione. La differenza fra il grafico p-V teorico e quello effettivo è dovuta agli aspetti pratici del progetto dei compressori, ad esempio a pistone. Le valvole non sono mai completamente a tenuta ed è sempre presente un certo livello di perdite fra il corpo del pistone e la parete del cilindro. È inoltre impossibile che l'apertura e la chiusura complete delle valvole avvengano senza un minimo di ritardo, e ciò si traduce in una caduta di pressione nel momento in cui il gas fluisce nei condotti. A causa della tipologia di progetto, inoltre, quando fluisce nel cilindro il gas si riscalda.


Formula della compressione isoterma

Lavoro di compressione nella compressione isoterma:

Formula della compressione isoentropica

Lavoro di compressione nella compressione isoentropica:


Tali relazioni mostrano che la compressione isoentropica richiede più lavoro di quella isoterma.

Che cosa sono i compressori dinamici?

Nei compressori dinamici, la pressione aumenta mentre il gas fluisce. Il gas in movimento viene accelerato fino a una velocità elevata per mezzo delle pale rotanti di una girante. La velocità del gas viene successivamente trasformata in una pressione statica nel momento in cui il gas viene costretto a rallentare per espansione in un diffusore. A seconda della direzione principale adottata per il flusso di gas, questi compressori sono detti radiali o assiali. Rispetto a quelli volumetrici, i compressori dinamici sono caratterizzati dal fatto che una piccola variazione della pressione di esercizio si traduce in una grande variazione nella portata.

Per ogni valore di velocità della girante esistono un limite superiore e uno inferiore della portata. Il limite superiore corrisponde alla situazione in cui il flusso del gas raggiunge la velocità del suono. Il limite inferiore viene invece raggiunto quando la contropressione diventa maggiore della pressione sviluppata dal compressore, dando origine a un flusso di ritorno al suo interno. Ciò si traduce a sua volta in pulsazioni e rumorosità, e comporta il rischio di danni meccanici.

Compressione in più fasi

In teoria è possibile effettuare la compressione dell'aria o dei gas servendosi di un processo isoentropico (a entropia costante) o di uno isotermo (a temperatura costante). Entrambi i processi possono far parte di un ciclo teoricamente reversibile. Se fosse possibile utilizzare immediatamente il gas compresso alla temperatura raggiunta dopo la compressione, il processo di compressione isoentropica presenterebbe alcuni vantaggi. Nella realtà, l'aria o i gas vengono raramente utilizzati direttamente dopo la compressione; di solito essi vengono anzi raffreddati fino a portarli alla temperatura ambiente prima dell'uso. Si preferisce pertanto adottare il processo di compressione isotermo, in quanto richiede una minore quantità di lavoro. Un approccio pratico di uso comune per eseguire il processo di compressione isoterma comporta il raffreddamento del gas durante la compressione. A una pressione di esercizio effettiva di 7 bar, la compressione isoentropica richiede teoricamente il 37% di energia in più di quella isoterma.


Un metodo pratico per ridurre il riscaldamento del gas consiste nel suddividere la compressione in più fasi, raffreddando il gas dopo ciascuna di esse e prima dell'ulteriore compressione alla pressione finale. Tale soluzione incrementa inoltre l'efficienza energetica; il miglior risultato si ottiene quando ogni fase di compressione ha lo stesso rapporto di compressione. Aumentando il numero di fasi di compressione, l'intero processo approssima una compressione isoterma. Vi è tuttavia un limite economico al numero di fasi che il progetto di un'installazione reale può utilizzare.


Qual è la differenza fra un turbocompressore e un compressore volumetrico?

A velocità di rotazione costante, la curva pressione/portata dei turbocompressori differisce in modo significativo da quella equivalente per i compressori volumetrici. I turbocompressori sono macchine a portata e pressione variabili. I compressori volumetrici sono invece macchine a portata costante e pressione variabile, e forniscono rapporti di pressione più elevati anche a bassa velocità. I turbocompressori sono progettati per livelli elevati della portata d'aria.


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