Un compressore d'aria è una macchina che utilizza la potenza di un motore elettrico o termico per aumentare la pressione dell'aria. L'aria compressa può quindi azionare utensili pneumatici, muovere apparecchiature automatizzate, gonfiare pneumatici o supportare processi industriali.
La maggior parte dei compressori aumenta la pressione intrappolando l'aria e riducendone il volume. Altri, come i compressori centrifughi, accelerano l'aria e convertono parte di tale velocità in pressione. A seconda dell'impianto, l'aria compressa passa attraverso apparecchiature di raffreddamento e trattamento prima di entrare in un serbatoio di stoccaggio o di fluire verso le apparecchiature che ne hanno bisogno.
Comprendere questo processo rende più facile confrontare i diversi tipi di compressori, riconoscere i componenti essenziali dell'impianto e scegliere le apparecchiature più adatte alla propria applicazione.
Componenti principali di un impianto di compressione d'aria
Un impianto ad aria compressa non si limita al solo compressore. Ogni componente contribuisce alla produzione, al controllo, allo stoccaggio o all'erogazione dell'aria.
| Componente | Funzione principale |
|---|---|
| Motore | Fornisce l'energia meccanica necessaria per azionare il compressore |
| Filtro di aspirazione | Rimuove la polvere e le particelle più grandi dall'aria in entrata |
| Elemento di compressione | Aumenta la pressione dell'aria tramite pistoni, viti o altri meccanismi |
| Sistema di raffreddamento | Elimina il calore generato durante la compressione |
| Comandi | Regolare il funzionamento del compressore in modo da mantenere la pressione richiesta |
| Serbatoio del ricevitore d'aria | Immagazzina l'aria compressa e contribuisce a bilanciare l'offerta con la domanda |
| Asciugatrici e filtri | Ridurre l'umidità, le particelle e la contaminazione da olio secondo necessità |
| Tubazioni di distribuzione | Trasporta l’aria compressa verso utensili, macchinari e attrezzature di produzione |
Il compressore produce aria compressa; il serbatoio di accumulo la immagazzina. Alcuni impianti di dimensioni più ridotte combinano entrambe le funzioni in un unico sistema, mentre gli impianti industriali utilizzano spesso compressori, serbatoi di accumulo e apparecchiature di trattamento separati.
Il serbatoio funge anche da tampone in caso di brevi picchi di domanda e contribuisce a ridurre le fluttuazioni di pressione. Le sue dimensioni e la sua posizione dipendono dalla configurazione dell'impianto.
Come funziona un compressore d'aria?
Il processo operativo può essere illustrato in cinque fasi. Il meccanismo di compressione e la configurazione del trattamento variano a seconda del tipo di macchina e dell'applicazione.
1. L'aria entra attraverso la presa d'aria
Il compressore aspira l'aria atmosferica attraverso un filtro di aspirazione. Questo filtro contribuisce a proteggere i componenti interni dalla polvere e dai detriti presenti nell'aria.
Le condizioni dell'aria di aspirazione sono importanti. Ambienti caldi, polverosi o contaminati possono influire sulle prestazioni e aumentare le esigenze di manutenzione; pertanto, l'impianto richiede un'adeguata ventilazione e un'alimentazione di aria pulita.
2. Il compressore aumenta la pressione dell'aria
Il motore aziona l'elemento di compressione.
In un compressore a spostamento positivo, come un compressore a pistoni o a vite rotante, l'aria viene intrappolata all'interno di una camera. Man mano che il volume della camera diminuisce, la pressione dell'aria aumenta.
Un compressore centrifugo funziona in modo diverso. La sua girante rotante aumenta la velocità dell'aria e il diffusore a valle converte parte di quell'energia cinetica in pressione.
In entrambi i casi, la macchina trasferisce energia meccanica all'aria.
3. Il raffreddamento elimina il calore di compressione
La compressione dell'aria richiede un lavoro, che ne fa aumentare la temperatura. Gli impianti di raffreddamento rimuovono gran parte di questo calore prima che l'aria raggiunga le apparecchiature a valle.
A seconda del modello, un compressore può utilizzare alette di raffreddamento, ventole, radiatori dell’olio, raffreddamento ad acqua o una combinazione di questi metodi. Un post-raffreddatore riduce la temperatura dell’aria in uscita. Le macchine multistadio possono inoltre utilizzare intercooler tra uno stadio di compressione e l’altro.
Un raffreddamento efficace contribuisce a proteggere i componenti e riduce il carico sulle apparecchiature di trattamento dell'aria a valle.
4. Riduzione dell'umidità e degli agenti contaminanti
L'aria atmosferica contiene vapore d'acqua. Quando l'aria calda compressa si raffredda, parte di quel vapore può condensarsi trasformandosi in acqua allo stato liquido.
I separatori di umidità e gli scarichi rimuovono il liquido raccolto. Un essiccatore riduce il vapore acqueo residuo al livello richiesto dall'applicazione. I filtri trattengono le particelle e, ove necessario, gli aerosol oleosi o altri contaminanti.
Questi dispositivi svolgono funzioni diverse. Uno scarico serve a rimuovere l'acqua liquida che si è già accumulata; non sostituisce un'asciugatrice.
Il trattamento necessario dipende dall'uso che si intende fare dell'aria. Gli utensili pneumatici generici, la verniciatura a spruzzo e i processi produttivi sensibili possono avere requisiti di qualità dell'aria molto diversi tra loro.
5. L'aria viene immagazzinata o convogliata alle apparecchiature
L'aria compressa entra nel sistema di distribuzione, spesso dotato di un serbatoio che funge da deposito e da riserva per far fronte alle variazioni della domanda.
Quando un utensile o un attuatore collegato entra in funzione, l’aria compressa fluisce verso il punto di utilizzo a pressione inferiore. La sua energia di pressione produce movimento, forza o un altro effetto utile.
I comandi reagiscono alle variazioni di pressione del sistema. Le unità di dimensioni più ridotte solitamente si avviano e si arrestano a livelli di pressione preimpostati. Le macchine industriali possono utilizzare il controllo carico/scarico, il funzionamento a velocità variabile o altri metodi per adeguare la produzione alla domanda.
Come funzionano i diversi tipi di compressori d'aria
I principali tipi di compressori si differenziano per il modo in cui aumentano la pressione dell'aria. La loro idoneità dipende dalla portata d'aria, dalla pressione di esercizio, dal ciclo di lavoro e dal profilo di richiesta.
Compressori alternativi — a pistone
Un compressore a pistone funziona grazie al movimento di un pistone all’interno di un cilindro.
Durante la fase di aspirazione, il pistone aumenta il volume del cilindro e aspira aria attraverso una valvola di aspirazione. Durante la fase di compressione, ne riduce il volume. Quando la pressione nel cilindro raggiunge un livello sufficientemente elevato, la valvola di scarico si apre e l'aria fuoriesce.
A compressore monostadio aumenta la pressione dell'aria dalla pressione di ingresso alla pressione di scarico finale in un unico stadio di compressione. A compressore a due stadi fa passare l'aria attraverso due stadi successivi, solitamente con una fase di raffreddamento tra uno e l'altro.
I compressori a pistone sono comunemente utilizzati nelle officine, nei centri di riparazione e in applicazioni con fabbisogno intermittente. Esistono inoltre modelli industriali specializzati destinati a impieghi ad alta pressione.
I loro limiti operativi variano, pertanto gli acquirenti dovrebbero verificare il ciclo di funzionamento nominale anziché dare per scontato che ogni macchina a pistoni possa funzionare in modo continuo.
Compressori rotativi a vite
Un tipico compressore a doppia vite utilizza due rotori elicoidali che si ingranano tra loro. Durante la rotazione, l'aria viene intrappolata tra i rotori e l'alloggiamento. Lo spazio in cui è intrappolata l'aria si riduce man mano che questa si sposta verso lo scarico, aumentando così la sua pressione.
In un sistema a iniezione d'olio, l'olio contribuisce a raffreddare l'aria, a lubrificare i componenti e a sigillare i giochi interni. La miscela aria-olio in uscita passa attraverso un dispositivo di separazione prima che l'aria prosegua a valle.
I modelli a vite senza olio impediscono all'olio lubrificante di entrare nella camera di compressione e utilizzano diverse soluzioni per il raffreddamento e la tenuta.
I compressori a vite rotativa sono ampiamente utilizzati per soddisfare una domanda industriale costante. Garantiscono un flusso d'aria relativamente costante e sono disponibili con diversi sistemi di controllo per adattarsi alle esigenze di produzione.
Compressori centrifughi
Un compressore centrifugo utilizza una girante che ruota rapidamente per accelerare l'aria. Un diffusore rallenta poi il flusso in modo controllato, convertendo parte della sua velocità in pressione.
Per raggiungere la pressione di scarico richiesta è possibile ricorrere a più stadi.
Queste macchine vengono spesso scelte per grandi impianti industriali con elevate esigenze in termini di portata d'aria. La loro efficienza dipende dalle condizioni operative, pertanto nella scelta è importante tenere conto sia dei periodi di normale domanda che di quelli di domanda ridotta.
Compressori d'aria a iniezione d'olio vs. compressori d'aria senza olio
I termini “con iniezione d’olio” e “senza olio” si riferiscono al sistema di lubrificazione, non a meccanismi di compressione distinti. Ad esempio, un compressore a vite può essere a iniezione d’olio o senza olio.
Compressori a iniezione d'olio
Le macchine lubrificate ad olio utilizzano l'olio all'interno del meccanismo di compressione, sebbene il metodo di lubrificazione vari a seconda del modello. In un compressore a vite a iniezione d'olio, l'olio garantisce raffreddamento, lubrificazione e tenuta.
La maggior parte viene separata dall'aria scaricata e reimmessa nel circuito dell'olio.
Potrebbe comunque essere necessario un trattamento a valle per garantire la qualità dell'aria richiesta. Questi dispositivi sono comunemente utilizzati nei settori manifatturieri, nelle officine e negli impianti pneumatici in generale.
Compressori senza olio
Compressori d'aria senza olio Non utilizzare olio lubrificante nella camera di compressione. È possibile ricorrere a viti a funzionamento a secco, spirali, pistoni appositamente progettati o altre tecnologie di compressione.
Il termine "senza olio" non significa che l'intera macchina sia priva di lubrificante. I cuscinetti o gli ingranaggi potrebbero comunque richiedere una lubrificazione al di fuori del percorso di compressione dell'aria.
Ciò non significa inoltre automaticamente che l'aria erogata sia priva di umidità, particelle o di ogni possibile contaminante. La qualità dell'aria deve essere valutata in base ai requisiti dell'applicazione e alle prestazioni documentate dell'apparecchiatura.
Nessuna delle due categorie presenta un vantaggio generale in termini di rumorosità, durata o capacità di funzionamento continuo. Tali caratteristiche dipendono dalla progettazione specifica, dall'installazione, dalla manutenzione e dalle condizioni operative.
Perché utilizzare l'aria compressa nei sistemi industriali?
L'aria compressa è utile perché distribuisce la potenza a numerosi punti di utilizzo e funziona bene con un'ampia gamma di utensili e attuatori.
I cilindri pneumatici consentono di ottenere un movimento lineare semplice e ripetitivo. Gli utensili possono essere compatti e un unico sistema centrale può alimentare diverse macchine in un’area di produzione. L’aria compressa può inoltre svolgere compiti quali la nebulizzazione della vernice o il trasporto di materiali idonei.
Tuttavia, L'aria compressa non è automaticamente più economica o più efficiente dell'energia elettrica diretta. La compressione genera calore, mentre le perdite, le cadute di pressione e i sistemi di controllo inadeguati causano ulteriori perdite. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti definisce l’aria compressa una risorsa industriale costosa che richiede un’attenta gestione.
La scelta tra apparecchiature pneumatiche ed elettriche dovrebbe quindi tenere conto del tipo di attività, dell'ambiente operativo, delle esigenze di manutenzione e del costo operativo complessivo.
Caratteristiche tecniche fondamentali da conoscere prima di scegliere un compressore
Comprendere il principio di funzionamento è il primo passo. Per scegliere la macchina più adatta alla propria applicazione è necessario conoscere alcuni dettagli relativi al funzionamento.
Pressione — PSI o bar
La pressione determina se l'aria è in grado di fornire la forza richiesta dall'apparecchiatura.
Il sistema deve mantenere una pressione adeguata nel punto di utilizzo, tenendo conto delle perdite attraverso essiccatori, filtri e tubazioni. Aumentare la pressione del compressore comporta un inutile aumento del lavoro necessario per comprimere l'aria.
Portata d'aria — CFM o m³/min
La portata d'aria indica la quantità di aria erogata dal compressore nel tempo.
La portata disponibile deve essere sufficiente a coprire il funzionamento simultaneo delle apparecchiature, tenendo conto di un margine adeguato per le variazioni della domanda. Confrontare la portata del compressore alla pressione di esercizio richiesta e sulla base di un parametro di misurazione coerente, come la portata in aria libera.
Il fatto che un compressore abbia una pressione nominale elevata non significa di per sé che sia in grado di fornire una quantità d'aria sufficiente.
Ciclo di funzionamento e andamento della domanda
Il ciclo di funzionamento indica per quanto tempo una macchina può funzionare nelle condizioni specificate. Il modello di richiesta descrive se l'apparecchiatura utilizza aria in modo costante, intermittente o a brevi raffiche.
Un piccolo laboratorio e una linea di produzione a funzionamento continuo possono richiedere configurazioni di compressori molto diverse, anche se la loro portata d'aria massima è simile.
Qualità dell'aria
Definire i livelli accettabili di umidità, particelle e olio per l'applicazione.
Questi requisiti influiscono sulla tecnologia di compressione, sull’essiccatore, sui filtri e sulla configurazione dell’impianto. È opportuno tenerne conto sin dall’inizio, anziché aggiungerli solo dopo che si sono manifestati problemi di contaminazione.
Costi di esercizio e manutenzione
Il prezzo di acquisto è solo una parte dei costi di gestione. Anche l'elettricità, la manutenzione, i materiali di consumo e i tempi di inattività hanno la loro importanza.
Confronta le macchine in base alle condizioni operative previste. Un compressore che si adatta al profilo effettivo della domanda può offrire un valore migliore nel lungo termine rispetto a uno scelto solo in base alla potenza del motore o al prezzo iniziale.
