Basics of Air Pressure: Displacement Compression and Dynamic Compression
16 March, 2023
There are two generic principles for the compression of air (or gas): Positive displacement compression and dynamic compression. This guide covers both.
Guida ai tipi di compressore dinamico: centrifugo e assiale
Quando è necessaria una potenza elevata, i compressori dinamici sono la scelta ideale. Sono disponibili in configurazione sia assiale sia radiale e spesso sono detti turbocompressori. I compressori in configurazione radiale sono detti compressori centrifughi.
Un compressore dinamico funziona a una pressione costante, a differenza, ad esempio, del compressore volumetrico, che funziona a portata costante. Le prestazioni di un compressore dinamico sono influenzate dalle condizioni esterne. Ad esempio, una variazione della temperatura di ingresso comporta una variazione della capacità.
Che cosa sono i compressori centrifughi?
I compressori centrifughi sono caratterizzati dal loro flusso in mandata radiale. L'aria viene aspirata al centro di una girante in rotazione, dotata di pale radiali, e viene spinta verso il perimetro della girante dalle forze centrifughe. Il movimento radiale dell'aria causa un aumento della pressione, generando allo stesso tempo energia cinetica. Prima di essere immessa al centro della girante dello stadio di compressione successivo, l'aria passa attraverso un diffusore e una coclea, dove l'energia cinetica viene convertita in pressione.
Ciascuno stadio assorbe una parte dell'aumento generale della pressione prodotto dal gruppo compressore. Nei macchinari industriali, il massimo rapporto di compressione di uno stadio di un compressore centrifugo è spesso non superiore a 3. Al crescere del rapporto di compressione, l'efficienza degli stadi diminuisce. Le applicazioni multistadio consentono di utilizzare refrigeratori intermedi per ridurre il fabbisogno di potenza. È possibile disporre più stadi in serie su un singolo albero a bassa velocità. Tale configurazione viene spesso utilizzata nel settore Oil and Gas e nelle industrie di processo.
Poiché il rapporto di compressione di ciascuno stadio è basso, per raggiungere la pressione di mandata desiderata si utilizzano un numero elevato di stadi e/o più gruppi compressori. Per le applicazioni di compressione dell'aria, negli stadi dei compressori viene integrato un moltiplicatore ad alta velocità per fare ruotare la girante su pignoni anch'essi ad alta velocità. La girante può avere una configurazione aperta o chiusa.
Configurazione aperta
Le giranti a configurazione aperta vengono utilizzate più comunemente per le applicazioni ad alta velocità dell'aria. In questa configurazione, la girante è di solito realizzata in una lega speciale di acciaio inox o in alluminio. La velocità dell'albero della girante è molto alta rispetto a quella di altre tipologie di compressori. Sono infatti comuni velocità di 15.000-100.000 giri/min. Ciò significa che il supporto sull'albero ad alta velocità del compressore o sul pignone viene realizzato utilizzando cuscinetti radenti a film d'olio invece di cuscinetti a rulli.
Oil-free
Per ottenere macchine totalmente oil-free è possibile utilizzare in alternativa cuscinetti a film d'aria o cuscinetti magnetici attivi. Su ciascuna estremità dello stesso albero sono montate due giranti per contrastare i carichi assiali causati dalle differenze di pressione. Nelle applicazioni standard per aria compressa si utilizzano tipicamente 2 o 3 stadi con refrigeratori intermedi.
Nelle configurazioni allo stato dell'arte dei compressori d'aria centrifughi, le giranti sono azionate direttamente da motori elettrici ad altissima velocità. Questa tecnologia consente di realizzare compressori compatti, senza moltiplicatori e relativi sistemi di lubrificazioni con olio, ottenendo in tal modo compressori totalmente oil-free.
Guarnizioni di tenuta
Ogni compressore centrifugo deve essere opportunamente sigillato per ridurre le perdite lungo l'albero nei punti in cui il medesimo attraversa l'alloggiamento del compressore. A tale scopo si utilizza una grande varietà di tipologie di guarnizioni; le più avanzate fra queste si trovano nei compressori ad alta velocità e alta pressione. I tipi più comuni sono le guarnizioni a labirinto, ad anello, a luce controllata (di solito in grafite) e meccaniche.
Nei compressori assiali il flusso è assiale; l'aria o il gas fluiscono pertanto lungo l'albero del compressore, attraverso file di pale in rotazione e stazionarie. Tale configurazione causa un aumento graduale della velocità dell'aria a mano a mano che le pale stazionarie convertono in pressione l'energia cinetica. Per controbilanciare la spinta assiale, in questi compressori è di solito integrato un tamburo di bilanciamento.
In generale, i compressori assiali sono più piccoli e più leggeri dei loro equivalenti centrifughi e funzionano normalmente a velocità più elevate. Essi vengono utilizzati per valori elevati e costanti della portata in volume a pressioni relativamente moderate, ad esempio nei sistemi di ventilazione. Data la loro elevata velocità di rotazione, essi sono il complemento ideale delle turbine a gas per la generazione di energia elettrica e la propulsione aeronautica.
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