Tipologie di compressori Compressori d'aria Nozioni teoriche di base Compressed Air Wiki Cilindrata Aria compressa
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.
Esistono due principi generici per la compressione dell'aria (o del gas): la compressione volumetrica e la compressione dinamica. Questi principi si fondano sulla teoria della modalità di compressione e scarico dell'aria.
Nella compressione volumetrica, l'aria viene aspirata in una o più camere di compressione, che vengono quindi chiuse all'ingresso. Il volume di ciascuna camera diminuisce gradualmente e l'aria viene compressa internamente. Quando la pressione raggiunge il rapporto di pressione preimpostato, si apre una porta o una valvola. L'aria viene quindi scaricata nel sistema di scarico a causa della continua riduzione del volume della camera di compressione.
Nella compressione dinamica, l'aria viene aspirata tra le pale di una girante di compressione che ruota rapidamente e accelerata ad alta velocità. Il gas viene quindi scaricato attraverso un diffusore, dove l'energia cinetica viene trasformata in pressione statica.
I compressori volumetrici forniscono un flusso d'aria costante, indipendentemente dalla pressione del sistema. Comprimono l'aria intrappolando un volume fisso e comprimendolo meccanicamente, come nel caso dei pistoni o delle viti rotanti.
Questi compressori offrono rapporti di pressione più elevati anche a basse velocità e sono ideali per applicazioni più piccole e stabili, come l'industria manifatturiera e automobilistica. Il loro design semplice garantisce affidabilità e facilità di manutenzione.
I compressori dinamici utilizzano lame rotanti ad alta velocità per comprimere grandi volumi di aria.
La portata e la pressione variano in base alla velocità di esercizio, rendendoli adatti per applicazioni a volume elevato come la generazione di energia e i sistemi HVAC. Il loro design complesso è ideale per velocità di flusso variabili e operazioni efficienti ad alta velocità.
Una pompa da bicicletta è l'esempio più semplice di compressione volumetrica. L'aria viene aspirata in un cilindro e compressa da un pistone in movimento. I compressori a pistone hanno lo stesso principio di funzionamento. Utilizzano un pistone il cui movimento in avanti e all'indietro è realizzato tramite una biella e un albero motore rotativo.
Se per la compressione viene utilizzato solo un lato del pistone, si parla di compressore ad azione singola. Se si utilizzano entrambi i lati superiore e inferiore del pistone, si parla di compressore a doppia azione. Il rapporto di pressione è la relazione tra la pressione assoluta sui lati di ingresso e di uscita.
Di conseguenza, una macchina che aspira aria alla pressione atmosferica (1 bar(a)) e la comprime a una sovrapressione di 7 bar, funziona a un rapporto di pressione di (7 + 1)/1 = 8.
Nei due grafici riportati di seguito sono illustrati la relazione pressione-volume per un compressore teorico e uno schema realistico per un compressore a pistone (rispettivamente).
Il volume della corsa è il volume del cilindro che il pistone percorre durante la fase di aspirazione. Il volume del gioco è il volume sotto le valvole di ingresso e di uscita e sopra il pistone. Per motivi meccanici, deve rimanere nel punto di rotazione superiore del pistone.
Le differenze tra il volume della corsa e il volume di aspirazione sono dovute all'espansione dell'aria rimanente nel volume di gioco prima dell'inizio dell'aspirazione. Il design pratico di un compressore, ad esempio un compressore a pistone, comporta una differenza tra lo schema p/V teorico e lo schema effettivo.
Le valvole non sono mai completamente a tenuta ed è sempre presente un certo livello di perdite fra la superficie 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. Ciò si traduce in una caduta di pressione nel momento in cui il gas attraversa i canali. A causa della tipologia di progetto, inoltre, quando fluisce nel cilindro il gas si riscalda.
In un compressore dinamico, 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.
Ogni velocità della girante ha un limite della portata superiore e inferiore. 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, a sua volta, causa pulsazioni, rumore e il rischio di danni meccanici.
Per comprendere meglio la regolazione dei compressori dinamici e l'ottimizzazione delle loro prestazioni, leggi questa guida sulla regolazione dei compressori dinamici.
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