Se parliamo di manutenzione di un sito produttivo, parliamo sicuramente, con una certa attenzione, di aria compressa.

La definizione elementare di aria compressa è quella di: Aria atmosferica che viene compressa e immagazzinata in un contenitore ad alta pressione. Questo processo aumenta la pressione dell’aria, riducendo il suo volume.

le principali applicazioni dell’aria compressa sono per:

1. Strumenti pneumatici: Molti utensili industriali e attrezzature utilizzano l’aria compressa come fonte di energia. Esempi comuni includono martelli pneumatici, trapani, chiavi pneumatiche e pistole sparachiodi.
2. Sistemi di controllo e automazione: L’aria compressa è utilizzata in sistemi pneumatici per il controllo di valvole, cilindri e altri dispositivi. Questi sistemi sono spesso presenti in macchinari industriali e processi automatizzati.
3. Impianti di aria compressa: Gli impianti di aria compressa sono installazioni dedicate alla generazione, alla distribuzione e al controllo dell’aria compressa in un’azienda o in un’industria. Questi impianti forniscono l’aria compressa necessaria per alimentare i vari dispositivi e attrezzature pneumatiche.
4. Applicazioni industriali e manifatturiere: L’aria compressa è impiegata in una varietà di processi industriali, come la pulizia di macchinari, il trasporto di materiali sfusi, il controllo di attuatori e il funzionamento di macchine utensili.
5. Energia: In alcune situazioni, l’aria compressa può essere utilizzata come forma di energia per alimentare veicoli o macchinari.

È importante notare che, nonostante i suoi numerosi utilizzi, l’aria compressa presenta anche alcune problematiche, come le perdite di energia durante il processo di compressione e decompressione, ed il rischio di contaminazione dell’aria compressa con olio o condensa, che potrebbero danneggiare gli strumenti o i processi in cui viene impiegata. Pertanto, è fondamentale gestire e mantenere adeguatamente i sistemi di aria compressa per assicurarne l’efficienza e la sicurezza.

La produzione dell’aria compressa

Penso che tutti sappiate che l’aria compressa è generata attraverso l’uso di compressori d’aria, quindi, andiamo direttamente a definire le due più comuni tipologie di compressori:

1. Compressori a pistone
2. Compressori a vite

Vediamone le differenze sul funzionamento:

Come funziona un compressore a pistoni?

Un compressore a pistoni è un dispositivo meccanico progettato per comprimere l’aria o altri gas. Funziona attraverso un sistema di pistoni che eseguono movimenti alternati all’interno di cilindri.

Ecco come funziona generalmente un compressore a pistoni:

1. Cilindro e pistoni: Il compressore è dotato di uno o più cilindri all’interno dei quali si muovono i pistoni. I pistoni sono solitamente collegati a una biella, che trasmette il movimento al dispositivo.
2. Aspirazione: Durante la fase di aspirazione, il pistone si muove verso il basso nel cilindro, creando uno spazio vuoto al di sopra di esso. Ciò causa l’aspirazione dell’aria o del gas nell’area sopra il pistone.
3. Compressione: Successivamente, il pistone si muove verso l’alto all’interno del cilindro, comprimendo l’aria o il gas nella parte superiore del cilindro. Questo aumento di pressione fa sì che l’aria venga spinta fuori dal cilindro.
4. Valvole: Il compressore è dotato di valvole di aspirazione e di scarico. La valvola di aspirazione si apre durante la fase di aspirazione per consentire all’aria o al gas di entrare nel cilindro, mentre la valvola di scarico si apre durante la fase di compressione per consentire all’aria compressa di uscire.

Questo processo si ripete ciclicamente mentre il compressore è in funzione. La capacità di compressione dipende dal numero di cilindri e pistoni presenti nel compressore, nonché dalla potenza del motore che alimenta il movimento dei pistoni.

I compressori a pistoni sono ampiamente utilizzati in una varietà di applicazioni, inclusi sistemi di aria compressa per strumenti pneumatici, impianti di refrigerazione e condizionamento dell’aria e in molti altri contesti industriali.

Come funziona invece un compressore a vite?

Un compressore a vite è un tipo di compressore dinamico che utilizza una coppia di rotori a vite interconnessi per comprimere l’aria o il gas. Questo tipo di compressore è ampiamente utilizzato per generare aria compressa in molti contesti industriali. Ecco come funziona generalmente un compressore a vite:

1. Rotori a vite: Il compressore a vite è dotato di due rotori a vite che si trovano all’interno di una camera di compressione. Uno dei rotori è chiamato rotore maschio, mentre l’altro è chiamato rotore femmina. Questi rotori sono a forma di vite elicoidale e sono progettati per ingranare perfettamente tra loro.
2. Ingresso dell’aria: L’aria o il gas da comprimere entra nella camera di compressione attraverso l’ingresso del compressore. Gli spazi tra i rotori e le pareti della camera di compressione formano delle camere d’aria.
3. Compressione: Quando i rotori iniziano a ruotare, l’aria viene intrappolata nelle camere tra i rotori e la parete della camera di compressione. Man mano che i rotori continuano a ruotare, l’aria viene compressa progressivamente mentre viene trasportata lungo la lunghezza della vite.
4. Scarico: Una volta che l’aria è stata compressa al livello desiderato, essa viene rilasciata attraverso l’uscita del compressore. La valvola di scarico regola la pressione dell’aria compressa rilasciata.
5. Raffreddamento: Durante il processo di compressione, l’aria si surriscalda. Pertanto, i compressori a vite sono spesso dotati di sistemi di raffreddamento per evitare temperature eccessive e garantire prestazioni efficienti.

Questo processo avviene in modo continuo mentre il compressore a vite è in funzione. Rispetto ai compressori a pistoni, i compressori a vite sono noti per essere più efficienti in termini di energia e hanno una produzione di aria più costante. Sono ampiamente utilizzati in applicazioni industriali dove è richiesta una fornitura continua di aria compressa.

Essendo, per processi industriali, i compressori a vite più vantaggiosi rispetto a quelli a pistone, la maggior parte della produzione di aria compressa, avviente con questa tipologia costruttiva.

Approfondiamo per cui questa tipologia e parliamo di due ulteriori tipologie di compressori a vite:

• A giri fissi
• A giri variabili

Un compressore a vite a giri fissi è una variante di compressore a vite che mantiene una velocità di rotazione costante dei suoi elementi di compressione. Questi compressori sono progettati per operare a una velocità di rotazione specifica e non variano questa velocità durante il funzionamento normale.

Un compressore a vite a giri variabili è un tipo di compressore a vite che consente di regolare la velocità di rotazione dei suoi elementi di compressione in risposta alle variazioni del carico. Questo significa che il compressore può adattarsi dinamicamente alla domanda di aria compressa, riducendo la velocità di rotazione quando la richiesta è bassa e aumentandola quando la richiesta è alta. Questo tipo di compressore offre diversi vantaggi in termini di efficienza energetica e flessibilità.

Sebbene i compressori a giri variabili siano spesso preferiti per la loro efficienza energetica, è importante considerare attentamente le esigenze specifiche dell’applicazione e confrontare i costi iniziali con i potenziali risparmi operativi nel corso del tempo. In alcuni casi, la maggiore efficienza energetica di un compressore a giri variabili può giustificare il costo iniziale più elevato, mentre in altre situazioni un compressore a giri fissi può essere più conveniente, soprattutto se la domanda di aria compressa è relativamente costante.

La scelta migliore

Negli impianti dove l’aria compressa è fondamentale per il ciclo produttivo, si vedono spesso affiancate, nelle centrali di produzione, le due tipologie di compressori a vite:

• A giri fissi per coprire la costante richiesta di aria compressa
• A giri variabili per coprire i picchi produttivi (contemporaneità di funzionamento di più macchinari) con l’effettiva esigenza temporale

Cerco di spiegare meglio questo concetto perchè è molto importante ai fini di risparmio energetico e lo faccio con l’ormai consueto “facciamo finta di”:

Facciamo quindi finta di avere in un sito 5 macchine che hanno la necessità di funzionare con aria compressa.

Definiamo quindi:

• Macchina 1 che necessita di 6 bar di pressione e 100 l/min di portata (litri al minuto)
• Macchina 2 che necessita di 7 bar di pressione e 200 l/min di portata
• Macchina 3 che necessita di 3 bar di pressione e 50 l/min di portata
• Macchina 4 che necessita di 6 bar di pressione e 250 l/min di portata
• Macchina 5 che necessita di 8 bar di pressione e 300 l/min di portata

E’ chiaro che la pressione totale dell’impianto centralizzato deve essere quella di 8 bar e che la portata totale corrisponde a 900 l/min

Tralasciamo al momento perdite di carico dovute ai componenti dell’impianto e soprattutto le perdite su raccordi e linee.

Calcoliamo ora la potenza in kW del compressore necessaria e introduciamo la formula generale:

Potenza = Q * P / η

Dove:

• Q è il flusso volumetrico di aria compressa erogato dal compressore, misurato in metri cubi al minuto (m3/min) o litri al secondo (l/s).
• P è la differenza di pressione, ovvero la differenza tra la pressione di aspirazione e la pressione di scarico del compressore, misurata in pascal (Pa) o bar.
• η è l’efficienza del compressore, espressa come frazione (ad esempio, 0,85 per un’efficienza dell’85%).

Il rendimento di un compressore, di solito è fornito nelle schede tecniche del produttore del compressore.

Potenza (kW)=Q*P*60 / η*1000

Dove:

60 è il fattore utilizzato per convertire il flusso volumetrico da minuti a secondi. Poiché la potenza è spesso espressa in kilowatt per secondo.

1000 è il fattore utilizzato per convertire la pressione da bar a pascal (1 bar = 100.000 pascal).

Quindi, nel nostro caso:

P (kW) = 900 * 8 * 60 / 0,85 * 1000 = 508 kW

Compriamo quindi 4 compressori da 130 kW e montiamoli in una centrale.

Ma se ci chiedessimo invece:

• Qual’è il fattore di contemporaneità delle 5 macchine nel ciclo produttivo?
• E’ necessario avere 508 kW per tutti i turni?
• E’ possibile calcolare una potenza necessaria fissa ed una variabile?

Senza prendermi troppo in parola, perchè le cose nella realtà sono leggermente più complicate, e senza allungare le cose per evitare formule e calcoli, credo che a questo punto il concetto sia abbastanza intuibile per dire:

Per 508 kW installo, 300 kW di compressori a giri fissi e 208 kW di compressori a giri variabili risparmiando così sia in sede di acquisto che in sede di consumo elettrico.

Infatti, tramite un PLC di automazione (clicca qui), programmo la partenza dei compressori a giri fissi e, solo in caso di richiesta di potenza superiore, faccio inserire i giri variabili che possono erogare l’effettiva potenza richiesta, in quel momento, dal funzionamento delle macchine.

Spero di non confondere le idee inserendo questo grafico di consumi che non è proprio ottimale per via di varie configurazioni e dimensionamenti errati, ma dove, è abbastanza evidente, lo scopo di inserimento del compressore a giri variabili (Verde scuro) rispetto al compressore a giri fissi (Verde chiaro).

Il compressore a giri fissi forma quasi un’onda quadra di circa 160 kW/h (acceso o spento), mentre, il compressore a giri variabili adatta i consumi nel tempo a seconda della richiesta.

Se mi sono spiegato male, o non avete capito, vi prego di farmelo sapere inviando una mail nella sezione contatti perchè, dove presenti, i compressori per l’aria compressa sono sicuramente i componenti più energivori e attenzionabili per iniziare un saving energetico.

Ulteriori scelte progettuali potrebbero migliorare l’efficienza dell’impianto come ad esempio dividere le linee in uscita dalla centrale di produzione in “bassa pressione” e “alta pressione”, oppure, installare compressori dedicati vicino a macchinari che richiedono prestazioni particolari e svincolare così la centrale di produzione.

Bene, se siamo arrivati a capire la teoria, ed ora vediamo una triste realtà:

Negli impianti di aria compressa, specie se poco manutenuti o vetusti, esistono le perdite. Per farsi un’idea del costo delle perdite posso dire di aver lavorato su impianti in cui un compressore da 100 kW lavorava solo per compensare le perdite.

E’ quindi sempre conveniente individuare e riparare le perdite su raccorderie e tubazioni (Leggi articolo su “La ricerca perdite sull’aria compressa“

Passiamo ora a descrivere i componenti di un compressore e di un impianto di aria compressa in generale.

Riprendiamo una frase citata all’ inizio dell’articolo:

“…il rischio di contaminazione dell’aria compressa con olio o condensa, che potrebbero danneggiare gli strumenti o i processi in cui viene impiegata. Pertanto, è fondamentale gestire e mantenere adeguatamente i sistemi di aria compressa per assicurarne l’efficienza e la sicurezza.“

Parlimo, per cui, di olio e condensa e conseguentemente di disoleatori ed essiccatori.

Il disoleatore (o separatore d’olio) è un componente importante in un sistema di aria compressa e ha la funzione di separare l’olio presente nell’aria compressa. Nei compressori d’aria, è comune che una certa quantità di olio venga miscelata con l’aria durante il processo di compressione. Questo olio può provenire dal lubrificante utilizzato all’interno del compressore stesso.

La presenza di olio nell’aria compressa può avere diversi effetti indesiderati, a seconda dell’applicazione. Alcuni motivi per cui è importante separare l’olio dall’aria compressa includono:

1. Contaminazione degli Strumenti Pneumatici: Se l’aria compressa viene utilizzata per alimentare strumenti pneumatici o attrezzature sensibili, la presenza di olio può danneggiare gli strumenti o influenzare negativamente la qualità del lavoro.
2. Contaminazione dei Processi di Produzione: In molte applicazioni industriali, la presenza di olio nell’aria compressa può contaminare i processi di produzione o i prodotti finali, ad esempio, in impianti alimentari, farmaceutici o elettronici.
3. Impatto Ambientale: La dispersione di aria compressa contenente olio nell’ambiente può essere dannosa per l’ambiente. Pertanto, è spesso richiesto il controllo delle emissioni di olio.

Il disoleatore è progettato per rimuovere l’olio dall’aria compressa. Esso funziona solitamente attraverso un processo di separazione meccanica. L’aria compressa, contenente olio, passa attraverso il disoleatore, che utilizza diverse tecnologie per catturare e separare le particelle di olio. Ciò può includere l’utilizzo di filtri, elementi separatori, e in alcuni casi, l’uso della forza centrifuga per separare fisicamente l’olio dall’aria.

La scelta del tipo di disoleatore dipenderà dalle specifiche esigenze dell’applicazione e dalle condizioni operative del compressore e del sistema di aria compressa.

In molti casi, su compressori di potenze elevate, il disoleatore è un componente interno al compressore stesso.

L’essiccatore dell’aria è un componente importante nei sistemi di aria compressa e ha la funzione di rimuovere l’umidità presente nell’aria compressa. L’acqua può essere presente nell’aria in forma di vapore, e durante il processo di compressione, l’aria può raggiungere temperature elevate, causando la formazione di condensa quando si raffredda. La presenza di umidità nell’aria compressa può avere diversi effetti indesiderati, motivo per cui è fondamentale utilizzare un essiccatore.

Ecco alcune delle principali ragioni per cui gli essiccatori dell’aria sono utilizzati nei sistemi di aria compressa:

1. Prevenzione della Corrosione: L’acqua nell’aria compressa può causare la corrosione degli elementi interni del sistema di distribuzione dell’aria e degli strumenti pneumatici. Un’umidità eccessiva può accelerare il processo di corrosione, riducendo la vita utile degli strumenti e degli equipaggiamenti.
2. Protezione degli Strumenti Pneumatici: La presenza di acqua può danneggiare gli strumenti pneumatici e causare malfunzionamenti. Ad esempio, l’acqua può compromettere la lubrificazione interna degli strumenti o provocare blocchi nelle valvole.
3. Prevenzione del Congelamento: In ambienti in cui l’aria compressa viene utilizzata a basse temperature, l’acqua può congelarsi e causare blocchi nei tubi e nei componenti. Un essiccatore può eliminare l’umidità prima che raggiunga il punto di congelamento.
4. Miglioramento dell’Efficienza: La presenza di umidità può influenzare negativamente l’efficienza di alcuni processi industriali. Ad esempio, l’umidità può compromettere la qualità della verniciatura a spruzzo o influire sulla precisione degli strumenti di misurazione.

Esistono diversi tipi di essiccatori dell’aria, inclusi essiccatori a refrigerazione, essiccatori ad adsorbimento e essiccatori a membrana. La scelta del tipo di essiccatore dipende dalle esigenze specifiche dell’applicazione, dalla temperatura ambiente e dalla qualità dell’aria richiesta per il processo.

L’essiccatore a ciclo frigorifero ha lo stesso principo di funzionamento visto nell’articolo che parla dell’umidità (clicca qui). Questo componente, essendo a tutti gli effetti un macchinario frigorifero, deve essere anche attenzionato nella gestione dell’FGas (Vedi anche articolo “Banca dati FGas e verifiche delle perdite dei gas fluorurati“)

La formazione di condensa può avvenire anche (a valle dell’essiccatore) all’interno delle tubazioni durante il trasporto dell’aria compressa ed è questo il motivo per cui sono necessari dei raccoglitori e scaricatori di condensa prima di ogni collegamento ai macchinari.

Ricordiamo che la condensa proveniente dagli impianti di aria compressa è un rifiuto da smaltire con le dovute procedure in quanto può contenere olio o sostanze nocive. Per ovviare a questo, come visibile dallo schema generico di una centrale di produzione dell’aria compressa all’inizio del paragrafo, è possibile installare un separatore acqua / olio che ci potrebbe consentire lo scarico dell’acqua direttamente nei sistemi fognari.

Tuttavia, è essenziale valutare attentamente la qualità dell’acqua separata. Se l’olio contiene sostanze chimiche pericolose o se l’acqua è contaminata a un livello che supera i limiti consentiti dalle normative ambientali, potrebbero essere necessari ulteriori trattamenti o processi di recupero prima dello smaltimento. Alcuni separatori acqua-olio possono utilizzare anche filtri a carboni attivi o altri mezzi per ridurre ulteriormente la presenza di sostanze nocive nell’acqua.

Un ultimo componente dedicato alla “purificazione” dell’aria compressa è il filtro che viene montato sulle linee e generalmente prima di ogni collegamento ai macchinari.

Terminiamo l’articolo parlando di componentisitca come riduttori e serbatoi

Riprendiamo l’esempio delle 5 macchine:

• Macchina 1 che necessita di 6 bar di pressione e 100 l/min di portata (litri al minuto)
• Macchina 2 che necessita di 7 bar di pressione e 200 l/min di portata
• Macchina 3 che necessita di 3 bar di pressione e 50 l/min di portata
• Macchina 4 che necessita di 6 bar di pressione e 250 l/min di portata
• Macchina 5 che necessita di 8 bar di pressione e 300 l/min di portata

Avendo diverse necessità di pressione su ogni macchina, devrò avere la produzione dell’aria compressa al valore massimo richiesto, e quindi 8 bar. Mentre, su ogni singola macchina dovrò installare un riduttore di pressione che limiti la pressione dell’impianto a quella richiesta dalla macchina.

In commercio si trovano spesso dei blocchi composti da “scaricatore di condensa” + “filtro” + “riduttore di pressione”

Ultimo, ma non ultimo, è il serbatoio.

Probabilmente ci avete fatto caso, ma anche un piccolo compressore per hobbistica ha un suo serbatoio

Il serbatoio in un compressore d’aria ha diverse funzioni importanti, contribuendo al corretto funzionamento del sistema. Ecco alcune delle principali ragioni per cui viene utilizzato un serbatoio nei compressori d’aria:

1. Stabilizzazione della Pressione: Il serbatoio funge da ammortizzatore, aiutando a stabilizzare la pressione dell’aria compressa. Durante il processo di compressione, l’aria è spinta nel serbatoio, e il serbatoio agisce come un accumulatore di pressione. Questo aiuta a ottenere un flusso d’aria più costante all’utente finale, riducendo le fluttuazioni di pressione.
2. Riserva di Aria: Il serbatoio consente di accumulare una riserva di aria compressa in modo che possa essere rapidamente erogata quando necessario. Questo è particolarmente utile in applicazioni in cui sono richiesti picchi di consumo di aria compressa temporanei, come nell’uso di attrezzature pneumatiche o in processi industriali.
3. Riduzione della Frequenza di Avvio e Arresto: Avviare e fermare frequentemente il compressore può causare usura e stress elettrico. Il serbatoio consente di ridurre la frequenza di avvio/arresto del compressore, contribuendo a prolungarne la durata e a migliorare l’efficienza energetica.
4. Separazione dell’Acqua e dell’Olio: Il serbatoio può agire come una zona di raffreddamento in cui l’aria compressa può rilasciare parte dell’umidità. Inoltre, eventuali tracce di olio presenti nell’aria compressa possono accumularsi nel serbatoio, consentendo la separazione e la rimozione prima che l’aria venga distribuita al punto di utilizzo.
5. Protezione del Compressore: Il serbatoio fornisce una riserva di aria che può essere utilizzata senza dover far funzionare il compressore ininterrottamente. Questo aiuta a proteggere il compressore da surriscaldamenti eccessivi o da cicli di lavoro troppo intensi.

In generale, il serbatoio in un compressore d’aria svolge un ruolo chiave nel fornire un flusso d’aria più stabile, regolare e affidabile alle applicazioni in cui viene utilizzata l’aria compressa. La sua dimensione è selezionata in base alle esigenze specifiche dell’applicazione e alla frequenza di utilizzo.

Parlando di impianti ricadenti nella direttiva PED (Leggi articolo “La direttiva P.E.D.“), l’aria compressa è solitamente coinvolta con i serbatoi e con i disoleatori (separatori di olio). In alcuni casi, per impianti molto grandi, possone essere coinvolte anche tubazioni ( > DN80) o i filtri. Ricordiamo che la classificazione PED è dovuta a Pressione x Volume in funzione del tipo di fluido o di gas.

Normalmente gli impianti di aria compressa vengono esaminati dal D.M. 329 con verifiche di funzionamento triennali e verifiche di integrità decennali. Come al solito, verificate le valvole di sicurezza e gli accessori di controllo e regolazione per le funzionali e gli involucri con spessimetrie ad ultrasuoni per le integrità prima di richiedere la verifica da parte di un ispettore INAIL o un suo delegato.

Concludo:

Per eseguire manutenzione sui compressori è sempre conveniente chiamare ditte specializzate se non addirittura la casa madre. La manutenzione deve essere fatta tenendo in considerazione le attività indicate nei manuali di uso e manutenzione che, solitamente, vengono svolte sulle ore di funzionamento.

Pianificando la manutenzione con un CMMS resta per cui complicato pianificare gli interventi con delle check list attraverso una frequenza temporale (Es: Trimestrale, Semestrale ecc..)