Compressori volumetrici

a) Compressori alternativi

Il parametro fondamentale per la valutazione di un compressore alternativo è l’efficienza

volumetrica:

ηv = (Portata volumetrica effettiva) / (Volume spazzato dal pistone)

Il rendimento volumetrico è inferiore ad uno per effetto di:

• Perdite attraverso le tenute del pistone

• Perdite di carico in aspirazione e scarico

• Riscaldamento del gas aspirato da parte delle pareti del cilindro

• Ri-espansione del gas compresso rimasto nel volume morto

Il rendimento volumetrico dipende in primo luogo dal rapporto di compressione. Dato un volume

morto Vc esprimibile in funzione del volume massimo V3 in termini percentuali:

m = [Vc / (V3 – Vc)]

si ha un volume effettivo di inizio dell’aspirazione V1 maggiore di Vc per cui si può definire una

efficienza:

ηvc = 100 [(V3 – V1) / (V3 – Vc)] = 100 – m (V1/Vc – 1)

D’altra parte il rapporto V1 / Vc è calcolabile assumendo una espansione adiabatica dei gas residui.

La potenza è calcolabile come:

P = m ∆h

Il rendimento adiabatico di compressione ηc = ∆hideale/∆h ha un andamento rapidamente crescente

con il rapporto di compressione sino ad un massimo (di solito superiore all’80%) e poi lentamente

decrescente verso i rapporti di compressione maggiori.

Le unità più grandi hanno lubrificazione forzata; la separazione dell’olio avviene per coalescenza.

Il raffreddamento ad acqua permette una temperatura di mandata inferiore di una quindicina di

gradi. Oltre certi valori di temperatura, l’olio lubrificante riduce troppo la propria viscosità e quindi

perde di efficacia. Per limitare la temperatura di scarico e il lavoro di compressione, oltre certi

rapporti di compressione conviene adottare una compressione multistadio interrefrigerata.

La velocità di rotazione è fra gli 800 e i 1800 rpm. Al variare di questa il rendimento volumetrico

rimane invariato (80%), mentre quello adiabatico di compressione scende dall’80% al 72%.

La mandata è pulsante.

Compressori alternativi con cilindri disposti a W

Per piccole potenze, è conveniente la costruzione “ermetica”, in cui il motore elettrico è racchiuso

insieme al compressore in un involucro stagno rispetto all’esterno.

Compressore ermetico

Nei compressori con elevato numero di cilindri, si può ottenere una parzializzazione escludendo

alcuni cilindri con apposite valvole.

Compressori a vite

Vista esterna

Spaccato

Sezione orizzontale

Sezione trasversale

Il compressore a vite (Lysholm) è impiegato largamente (1 milione di compressori d’aria costruiti).

Portate variabili da 0.05 a 1.5 m3/s; potenze da 25 a 1250 kW; velocità di rotazione 2950 rpm.

Rotore maschio 4 lobi; rotore femmina 6 vani; diametri da 125 a 320 mm; rapporto

lunghezza/diametro da 1.12 a 1.70. I due rotori, accoppiandosi, suddividono lo spazio entro la

carcassa in una serie di vani a tenuta.

Il funzionamento comprende: 1) riempimento di un vano attraverso la luce di aspirazione; 2)

chiusura e trasferimento del vano; 3) riduzione del volume del vano contro la parete di fondo e

conseguente compressione; 3) scarico attraverso la luce di mandata.

Nella figura i vani 1,2 e 3 sono in fase di aspirazione, i vani 4 e 5 sono in fase di trasferimento, il

vano 6 è in fase di compressione e il vano 7 è in fase di scarico. Ne deriva un andamento della

pressione in funzione dell’angolo di rotazione come sotto indicato:

p

aspirazione

chiusura luce

di aspirazione

trasferimento

compressione

apertura luce

di mandata

scarico

7

6

54321

Pertanto il compressore a vite presenta un suo rapporto di compressione volumetrico ben definito:

ρ = volume del vano attivo alla chiusura dell’aspirazione / volume all’apertura della mandata

Il rapporto manometrico ideale è quindi β = ρk. Valori tipici di ρ impiegati dai costruttori, ottenuti

variando il rapporto lunghezza/diametro, sono 2.6, 3.6, 4.2 e 5. Corrispondentemente, per k = 1.4, si

ha:

ρ 2,6 3,6 4,2 5

β 3,81 6,01 7,46 9,52

D’altra parte non è detto che il rapporto di compressione imposto dall’impianto coincida con quello

proprio della macchina, per cui esiste un valore ottimo di perfetto adeguamento nell’intorno del

quale il rendimento scende: a pressioni di mandata inferiori a quella ottimale una parte del lavoro di

compressione è persa allorché il gas espande liberamente nel condotto di mandata; a pressioni

superiori si ha invece un riflusso dalla mandata nel compressore sino a equilibrio delle pressioni.

Il primo effetto è più gravoso, per cui le curve di rendimento in funzione del rapporto di

compressione dell’impianto presentano una andamento più pendente a sinistra, con un massimo

spostato verso pressioni leggermente maggiori a quelle segnate in tabella.

Peraltro conviene far in modo che il compressore non lavori mai a sinistra del punto di ottimo, per

cui si sceglie preferibilmente una macchina con ρ più piccolo di quello teorico.

Il rendimento adiabatico isentropico (rapporto fra lavoro isentropico e lavoro reale) rende ragione

delle perdite per mis-matching delle pressioni, del trafilamento di fluido fra le parti mobili e della

non adiabaticità. Complessivamente sfiora l’80% per ρ = 2.6 (valore ottimale β ≈ 4; βmin ≈ 2; βmax ≈

10), è intorno al 75% per ρ = 3.6 (valore ottimale β ≈ 6; βmin ≈ 3; βmax ≈ 12) e scende sotto il 70%

per ρ = 5 (valore ottimale β ≈ 9; βmin ≈ 5; βmax ≈ 13).

Regolazione con valvole scorrevoli sia della portata che del rapporto di compressione. Uscite

intermedie per realizzare rapporti di compressione diversi.

Semplicità meccanica. Ridotto numero di pezzi. Compattezza e leggerezza rispetto al compressore

alternativo.

La pressione di mandata è limitata dalla necessità di limitare la flessione dei rotori.

La mandata è pulsante. Per limitare le perdite occorre lavorare ad alta velocità di rotazione,

generando un considerevole rumore a frequenze udibili.

Iniezione d’olio per fare da tenuta fra i due rotori, per lubrificare i cuscinetti e per attuare le valvole

a scorrimento. Separatore d’olio a coalescenza sulla mandata: non esce olio liquido, ma solo vapore,

in quantità minore di 5 ppm. L’olio ha anche un effetto refrigerante, e deve quindi essere

raffreddato prima della re-iniezione. Esistono anche compressori “oil-free”, ma hanno efficienze

minori.

Compressori Scroll

Il compressore Scroll ha raggiunto efficienze accettabili solo grazie ai progressi delle lavorazioni

meccaniche di precisione. Una spirale è fissa, mentre l’altra si muove orbitando in cerchio senza

ruotare. Ne consegue un rotolamento tra le due spirali con contatto in due punti. I due punti di

contatto si muovono verso il centro, formando camere a volume descrescente.

Il gas entra dalla periferia ed esce dal centro.

Sono disponibili compressori con portate sino a 40 m3/ora e pressioni sino a 30 bar.

I vantaggi sono la semplicità meccanica, la compattezza e la leggerezza. La portata è continua, a

vantaggio della silenziosità. E’ disponibile in configurazione ermetica.

Statore e rotore

Compressore ermetico scroll

Principio di funzionamento del compressore scroll

Compressori a palette

Compressori a cilindrata variabile