L'aerazione rappresenta solitamente il carico elettrico maggiore in un impianto biologico di trattamento delle acque reflue, e i soffiatori funzionano spesso 24 ore su 24 a una pressione compresa tra 0,4 e 1,0 bar. Gli acquirenti che mettono a confronto i modelli di soffianti turbo a cuscinetti d’aria e a levitazione magnetica si trovano di fronte a due macchine che sulla carta sembrano identiche: lo stesso motore a magneti permanenti, lo stesso azionamento, la stessa promessa di notevoli risparmi rispetto a una soffiante a lobi. La differenza sta in un componente che le schede tecniche tralasciano.
Entrambe sono macchine ad alta velocità, a trasmissione diretta e senza olio, dotate della stessa tecnologia di girante e motore; la vera differenza sta nel modo in cui il rotore è sospeso. In un turbocompressore a cuscinetti d’aria, l’albero galleggia su un film d’aria generato dal rotore stesso, quindi non necessita di sensori, controller o cuscinetti di supporto, il che lo rende più semplice ed economico. Un turbocompressore a levitazione magnetica fa levitare l’albero tramite elettromagneti sotto controllo ad anello chiuso, aggiungendo smorzamento attivo e diagnostica, ma anche componenti elettronici, un cuscinetto ausiliario e la necessità di un’alimentazione affidabile. Per un funzionamento continuo con una qualità dell’alimentazione elettrica standard e aria in ingresso pulita, il modello a cuscinetti d’aria offre solitamente il miglior costo del ciclo di vita. Per un’ampia gamma di regolazione, la diagnosi remota o limiti di vibrazione rigorosi, il modello a levitazione magnetica giustifica il suo costo maggiore.
Le sezioni che seguono analizzano prima gli aspetti tecnici e poi quelli finanziari.
La differenza fondamentale in una sola frase
Se si rimuove l'involucro, le due macchine differiscono per un unico componente: il cuscinetto. Una utilizza l'aria che sta già muovendo; l'altra utilizza la forza elettromagnetica e un circuito di controllo.
Tutto il sistema a monte è in comune: un motore a magneti permanenti aziona direttamente una girante lavorata a una velocità compresa tra 20.000 e 60.000 giri/min, senza riduttore né circuito dell’olio, e l’azionamento determina la velocità che a sua volta determina la portata. Nell’ampio intervallo di ventilatori industriali utilizzato per l'aerazione, il cuscinetto determina il modello di funzionamento.
Come un cuscinetto ad aria sostiene l'albero
Un cuscinetto a lama flessibile consiste in una lama superiore liscia posizionata sopra una lama ondulata. All’aumentare della velocità, la resistenza viscosa trascina l’aria nel cuneo convergente tra l’albero e la lama, e la pressione che si accumula in quel punto solleva il rotore su una pellicola dello spessore compreso tra 10 e 20 micron. Il film è autoalimentato, quindi non sono necessari né un'alimentazione d'aria esterna né componenti elettronici, e l'ala si flette per smorzare il movimento. Prima del distacco, l'albero scivola sull'ala, grazie a un rivestimento di lubrificante solido che ne garantisce il contatto. Lavoro di Centro di ricerca Glenn della NASA descrive esattamente questo: nessuna usura mentre il film sostiene il rotore, scorrendo all’avvio e all’arresto. I dettagli sono disponibili su Turbocompressore con cuscinetti ad aria pagina.
Come un cuscinetto per treno a levitazione magnetica sostiene l'albero
Un cuscinetto magnetico attivo sospende un rotore laminato dotato di bobine dello statore. I sensori di spostamento rilevano la posizione migliaia di volte al secondo e un controller modula la corrente delle bobine per mantenere il rotore vicino al centro dell’intercapedine lungo cinque assi. Poiché la sospensione è attiva, può essere irrigidita o ammorbidita lungo l’intero intervallo di velocità, filtrare le vibrazioni sincrone e generare dati orbitali a fini diagnostici. La levitazione si verifica solo finché il controllore è alimentato, pertanto l’alimentazione diventa parte integrante del sistema di cuscinetti. In caso di interruzione di corrente, il rotore ricade su cuscinetti ausiliari mentre il controllore, mantenuto in funzione da un UPS o dalla frenata rigenerativa, gestisce l’atterraggio. Il Turbocompressore con cuscinetti a levitazione magnetica La pagina illustra come è strutturato il tutto.
Confronto diretto tra cuscinetti
| Parametro | Cuscinetto ad aria (pellicola flessibile) | Maglev (magnetico attivo) |
| Supporto del rotore | Film d'aria autogenerato | Forza elettromagnetica generata dalle bobine |
| Hardware di controllo | Nessuna; la geometria della lamina determina la rigidità | Sensori, regolatori, amplificatori |
| Contatto in fase di arresto | Sì, su foglio patinato | Dopo l'appoggio sui cuscinetti ausiliari |
| Start-up | Accelerazione fino alla velocità di decollo | Levita prima di girare |
| Interruzione di corrente | Si posiziona sulla pellicola, senza componenti elettronici | Il controller deve resistere alla fase di decelerazione per inerzia |
| Monitoraggio | Vibrazioni, temperatura | Orbita, spostamento, corrente, numero di cadute |
| Prezzo relativo | Più basso | Più alto |
Efficienza: ecco dove si nota davvero la differenza
In fase di progettazione, i due tipi di cuscinetti presentano una differenza compresa tra uno e tre punti percentuali, che rientra nei margini di incertezza della maggior parte delle prove in loco. È il comportamento a carico parziale a determinare la scelta di acquisto, non il dato dichiarato.
Punto di progetto e carico parziale
La potenza specifica, espressa in kW per metro cubo al minuto a una determinata pressione, è l’unico dato che consente un confronto equo tra le diverse dimensioni dei telai. Questi intervalli sono indicativi per una pressione manometrica di 0,6 bar in condizioni standard di aspirazione e non costituiscono una garanzia.
| Tipo di ventilatore | Potenza specifica, kW per m³/min | Servizio di preparazione della camera |
| Lobulare (a spostamento positivo) | da 1,45 a 1,75 | dal 100 al 60 per cento |
| Centrifuga multistadio | da 1,15 a 1,35 | dal 100 al 70 per cento |
| Turbina con cuscinetti ad aria | da 1,00 a 1,15 | dal 100 al 50 per cento |
| Turbo Maglev | da 0,98 a 1,12 | dal 100 al 50 per cento |
Le righe inferiori si sovrappongono perché non è il tipo di cuscinetto a limitare le prestazioni nella parte centrale della curva, bensì il margine di sovralimentazione e il raffreddamento del motore. Una macchina che presenta prestazioni inferiori del 5% nel punto di progetto, ma mantiene un’efficienza del 55% alla portata, può superare una macchina leggermente migliore alla portata massima; pertanto, è opportuno richiedere la curva, non un singolo valore.
Cosa incide realmente sulla bolletta dell'elettricità
Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti rileva nel suo linee guida sui contratti di rendimento energetico per gli impianti di recupero delle risorse idriche che l'aerazione rappresenta solitamente oltre il 50% del consumo energetico di un impianto. Da un'analisi regionale è inoltre emerso che I ventilatori turbo ad alta velocità riducono il consumo energetico per l'aerazione dal 15 al 20 per cento rispetto alla tecnologia convenzionale. Tuttavia, il solo controllo dell’ossigeno disciolto può consentire un risparmio dal 10 al 30 per cento, quindi un impianto che utilizza il miglior soffiante a velocità fissa ne sfrutta solo una minima parte.
Comportamento in modalità Start-Stop e funzionamento in caso di interruzione di corrente
Questa è la parte che la maggior parte delle schede tecniche tralascia. Un cuscinetto ad aria si usura solo durante l’avvio e la decelerazione, quindi la sua durata si misura in cicli piuttosto che in ore. Un cuscinetto a levitazione magnetica non entra in contatto con nulla mentre è in levitazione, ma deve rimanere alimentato per mantenere la levitazione; pertanto, un’interruzione di corrente diventa un problema di progettazione elettrica piuttosto che meccanica.
Usura da contatto sui cuscinetti a lamina
Poiché il contatto avviene solo a bassa velocità, l’usura dei cuscinetti a lamina dipende dal numero di avviamenti, non dalle ore di funzionamento. I valori nominali pubblicati si collocano solitamente tra i 20.000 e i 100.000 cicli, a seconda del rivestimento e del carico. Due avviamenti al giorno in un impianto a funzionamento continuo corrispondono a circa 730 cicli all’anno, quindi una durata nominale di 20.000 cicli copre diversi decenni, mentre un reattore sequenziale a lotti che effettua sei cicli all’ora rende il cuscinetto un materiale di consumo programmato. La protezione è di natura procedurale: impostare un tempo minimo di funzionamento, aumentare gradualmente la velocità anziché avviare direttamente e ridurre la velocità invece di arrestare il sistema.
Decelerazione per inerzia e alimentazione di riserva sulle unità a levitazione magnetica
Il rotore immagazzina energia sufficiente a piena velocità per continuare a girare per alcuni minuti dopo un'interruzione, e il controller deve mantenerlo centrato o trasferire tale energia ai cuscinetti ausiliari in modo controllato. Le soluzioni più comuni prevedono un UPS dimensionato per la fase di decelerazione, un sistema rigenerativo che alimenta il controller tramite la forza controelettromotrice del motore, oppure entrambi. Ogni fermata riduce la durata dei cuscinetti ausiliari, pertanto il contatore di fermate costituisce un dato rilevante per la manutenzione e il numero nominale di fermate deve essere indicato nel preventivo. Anche la qualità dell’alimentazione è importante: cali di tensione, transitori e armoniche raggiungono il controller prima di arrivare al motore.
Manutenzione, modalità di guasto e condizioni del sito
Nessuna delle due macchine richiede cambi d’olio, regolazione della tensione delle cinghie o allineamento dei giunti, ed entrambe richiedono davvero poca manutenzione rispetto a un soffiante a lobi. La differenza sta in ciò che va sottoposto a manutenzione: un cuscinetto ad aria comporta l’usura delle parti meccaniche, mentre un’unità a levitazione magnetica comporta l’usura dei componenti elettronici.
| Sintomo | Probabile causa: cuscinetto ad aria | Probabile causa del Maglev |
| Aumento delle vibrazioni a carico costante | Usura della lamina, perdita di rivestimento, contaminazione | Deriva del sensore, guasto alla bobina, squilibrio |
| Ripetizione del ciclo all'avvio | Decollo non raggiunto, ostruzione all’ingresso | Errore di levitazione, guasto del controller, abbassamento |
| Elevata temperatura di scarico | Girante sporca, filtro intasato | Lo stesso, più un guasto al sistema di raffreddamento dell'armadio |
| Improvvisa perdita di pressione | Sovratensione, danni alla girante | Sovratensione, intervento dell'amplificatore |
Un ventilatore che supera dell’8% la potenza specifica prevista in fase di messa in servizio segnala un problema al filtro o un attrito dei cuscinetti prima di guastarsi. Le cartucce a lamelle durano da cinque a otto anni o fino al numero di cicli nominale, mentre l’elettronica del controller dura all’incirca da 8 a 12 anni. Entrambe le versioni registrano un livello sonoro compreso tra 70 e 80 dB(A) a un metro di distanza con involucro, contro i 95-105 dB(A) di un ventilatore a lobi senza involucro, ed entrambe subiscono una riduzione della potenza di circa l’1% ogni 100 m oltre i 1.000 m di altitudine.
Costo totale di proprietà: un metodo pratico per effettuare un confronto
Il prezzo di acquisto corrisponde solitamente al 45-60% del costo decennale di entrambe le macchine; pertanto, una decisione basata esclusivamente sul costo di investimento è una decisione basata sulla cifra più bassa.
| Riga dei costi | Cuscinetto ad aria | Maglev | Nota |
| Acquisto e installazione | Valori di riferimento | dal 10 al 25 per cento in più | Slittamento, trasmissione, protezione, messa in servizio |
| Energia nell'arco di 10 anni | Valori di riferimento | da 0 a 5 per cento in meno | Dipende dal profilo di carico |
| Manutenzione programmata | Filtri, cartuccia a foglio | Filtri, componenti elettronici | Prevale il costo della manodopera locale |
| Fermate impreviste | Meccanico, riparabile sul posto | Sostituzione della scheda o del sensore | Verificare la profondità di appoggio |
Una macchina da 90 kW che funziona 8.000 ore all’anno a 0,10 USD per kWh costa circa 72.000 USD in energia elettrica, e un miglioramento dell’efficienza dell’8% consente di risparmiare circa 5.760 USD all’anno. A fronte di un sovrapprezzo di 30.000 USD, il tempo di ammortamento è di circa 5,2 anni, non di uno o due anni come suggeriscono i materiali di marketing. Il metodo è illustrato in questa guida a Ritorno sull'investimento dei compressori d'aria nel settore manifatturiero.
Adattare la tecnologia al proprio impianto e al ciclo di funzionamento
Scegliete in base al ciclo di funzionamento e alle condizioni del sito, non in base a quanto la tecnologia possa sembrare all’avanguardia. Le domande da porsi sono: la macchina si riavvia molte volte al giorno? E i vostri team elettrici e di manutenzione sono in grado di gestire ciascuna soluzione progettuale?
Quando il cuscinetto ad aria è la soluzione più adatta
Funzionamento continuo con pochi avviamenti a settimana, aria in ingresso pulita, un budget di investimento limitato, qualità dell’alimentazione elettrica nella media e un team di manutenzione di tipo meccanico anziché elettronico, soprattutto nei casi in cui i ricambi per i controllori tardano ad arrivare.
Quando il Maglev è la soluzione più adatta
Monitoraggio di portate molto variabili senza scarichi di sovrapressione, limiti di vibrazione rigorosi, una sala di controllo che richiede dati sull’orbita, alimentazione stabile e un partner regionale impegnato a rispettare i tempi di risposta.
Quando nessuna delle due è la risposta giusta
Al di sotto di circa 15 metri cubi al minuto, il costo di investimento di entrambe le macchine ad alta velocità è difficile da giustificare rispetto a un soffiante a spostamento positivo ben controllato, mentre al di sopra di circa 1,2 bar lo stadio turbo diventa un problema di compressione con dinamiche economiche diverse. Un funzionamento intermittente con un budget limitato può favorire una macchina più semplice, la cui minore efficienza è compensata da un prezzo più basso, come ad esempio un soffiante a vite senza olio.
Una lista di controllo per gli appalti prima della firma
Le offerte comparabili vengono elaborate, non ricevute. È necessario definire con precisione nella richiesta le condizioni di garanzia, il metodo di misurazione e le misure correttive; in caso contrario, i dati non avranno lo stesso significato.
- Indicare la potenza specifica nel punto di progetto e con portate pari al 75%, al 60% e al 50%, corretta in base all’altitudine e alla temperatura ambiente.
- Indicare le condizioni alle quali tali valori sono garantiti e la tolleranza prevista per la prova.
- Specificare la norma acustica e la distanza, e richiedere dati relativi alle bande di ottava anziché un unico valore in dB(A).
- Verificare se è previsto un collaudo in fabbrica e se, dopo l'installazione, viene effettuato un collaudo in loco.
- Per le unità con cuscinetti ad aria, richiedere il numero di cicli nominale; per le unità a levitazione magnetica, la resistenza alle cadute, il tempo di decelerazione e la dotazione di un gruppo di continuità (UPS).
Domande frequenti
Queste tre domande ricorrono in quasi tutte le revisioni delle offerte tecniche e vanno oltre le sezioni sopra citate.
Entrambi i modelli sono in grado di funzionare in presenza di temperature ambientali elevate e di un’aspirazione polverosa?
Entrambe le soluzioni sono possibili, ma con conseguenze diverse. Al di sopra dei 40 gradi Celsius è prevedibile una riduzione delle prestazioni e un aumento della temperatura del motore; pertanto, è consigliabile richiedere curve di prestazione corrette anziché i dati riportati sulla targhetta. La polvere rappresenta il vincolo più significativo per un cuscinetto ad aria, poiché il particolato compromette il film lubrificante, mentre un’unità a levitazione magnetica tollera l’aria sporca ma necessita di aria pulita e fresca all’interno dell’involucro.
Quali pezzi di ricambio dovremmo tenere in magazzino per ciascun tipo di cuscinetto?
Per una macchina a cuscinetti ad aria, tenere a disposizione un set di filtri, una cartuccia in alluminio se il ciclo di lavoro è frequente, nonché i sensori e le guarnizioni raccomandati. Per una macchina a levitazione magnetica, tenere a disposizione filtri, una scheda di controllo, un sensore di spostamento e un cuscinetto ausiliario, poiché un guasto alla scheda provoca l'arresto immediato della macchina.
È possibile sostituire un soffiante a lobi con un soffiante turbo senza modificare le tubazioni?
Dal punto di vista meccanico, solitamente sì, poiché entrambe erogano aria a pressione simile in un collettore simile. Dal punto di vista idraulico, non sempre, perché una macchina a spostamento positivo spinge contro un’elevata contropressione, mentre una macchina turbo presenta un limite di oscillazione e può andare in oscillazione se il volume di scarico e la valvola di controllo presentano caratteristiche diverse. Prima di effettuare l’ordine, verificare il volume del collettore, la posizione del sensore rispetto alla valvola di non ritorno e la capacità di scarico.
