venerdì, 15 Gennaio, 2021

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Compressori volumetrici: cosa sono e come funzionano

I compressori volumetrici: un viaggio nella tecnica della compressione dell’aria con un occhio di riguardo agli aspetti teorici

I compressori volumetrici sono particolari tipi di apparecchi che servono a comprimere un fluido mediante variazioni di volume. Il loro principio di funzionamento si basa su precisi movimenti meccanici che forniscono un tipo di compressione a volume variabile. La principale caratteristica che differisce queste macchine dai compressori dinamici è che il rapporto di compressione non dipende dalla velocità di rotazione.

Valvole e luci all’interno dei compressori volumetrici

Di fondamentale importanza è la presenza di valvole o luci all’interno di questi macchinari. Esse permettono di dividere il funzionamento del ciclo di compressione in due fasi. Abbiamo delle fasi a valvole o luci aperte responsabili del riempimento della macchina. In questi tipi di stadi devono essere considerate le perdite fluidodinamiche, mentre gli scambi di calore sono trascurabili. Nelle fasi a valvole o luci chiuse si ha lo svuotamento della macchina. In questo caso, gli scambi di calore non sono più trascurabili, mentre non vengono più considerate le perdite fluidodinamiche.

Le valvole si dividono ulteriormente in valvole meccaniche e valvole automatiche. La differenza tra le due sta nel fatto che le valvole meccaniche non sono sensibili ai cambiamenti di pressione nel pistone. Quindi, esse vengono rispettivamente aperte o chiuse a seconda della posizione in cui si trova il pistone. Le valvole automatiche sono, invece, sensibili alle variazioni di pressione ma hanno eccessive perdite per trafilamento.

Ciclo di lavoro dei compressori

Per definizione, nel caso di macchine volumetriche, il ciclo di lavoro termodinamico si calcola come l’integrale di pdV. Ovvero, il prodotto tra la pressione e la variazione di volume. Sul piano di Clapeyron, per i compressori volumetrici (quindi macchine operatrici), il grafico si traduce in un verso di percorrenza positivo. Possiamo quindi fare una distinzione tra tre tipi di ciclo. Inserendo dei sensori nella macchina e valutando in ogni istante i valori di volume e pressione, otteniamo un ciclo reale. Se dobbiamo studiare un compressore volumetrico dal punto di vista teorico possiamo avvalerci di un ciclo ideale. Esso tiene conto di trasformazioni termodinamiche ideali (trasformazioni isentropiche) e il fluido si assume gas perfetto. Se vogliamo tenere in considerazione trasformazioni reali e perdite fluidodinamiche, ci viene in aiuto il ciclo convenzionale. Questo tipo di ciclo non è ottenuto sperimentalmente ma si avvicina al ciclo reale grazie a trasformazioni politropiche.

Compressori volumetrici alternativi

I compressori volumetrici alternativi sono costituiti da uno o più pistoni che si muovono con moto alternato all’interno di un cilindro cavo. Ogni pistone è collegato all’albero della macchina mediante un sistema biella manovella. Questo fa sì che il pistone si sposti da un punto morto superiore (PMS) ad un punto morto inferiore (PMI). Quando il pistone è al PMI, la valvola di aspirazione viene chiusa. In seguito, il pistone comincia la sua corsa verso il PMS e la pressione nel cilindro aumenta. Raggiunta una pressione adeguata, si apre la valvola di mandata che espelle il gas compresso. Immediatamente dopo il pistone passa dal PMS al PMI e la valvola di mandata si chiude. Raggiunto il PMI, la valvola di aspirazione si apre facendo entrare del fluido fresco e il ciclo ricomincia.

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Compressori volumetrici rotativi

Le macchine rotative sono abbinate all’uso di luci nello statore che vengono scoperte e richiuse dalla rotazione del rotore. Questi apparecchi sono adatti a smaltire grandi portate di fluido. Inoltre presentano minori perdite per trafilamento grazie alle luci al posto delle valvole. Il lato negativo è che sopportano bassi rapporti di compressione a causa dei limiti geometrici e delle fughe di fluido. Tra i più diffusi compressori volumetrici rotativi abbiamo i compressori a palette. Essi sono costituiti da uno statore che ruota movimentando il fluido verso camere a volume sempre più piccolo.

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I compressori a lobi (o Roots) sono formati da due rotori sagomati che ruotano uno contro l’altro creando camere a volume decrescente. I compressori a vite sono formati da uno o due rotori a forma di vite posti all’interno di un cilindro. Il volume di questo cilindro decresce allo spostamento del fluido dalla parte iniziale alla parte finale.

Articolo a cura di Simone GIARACUNI

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  • Elementi di Macchine operatrici a fluido – Catalano, Napolitano – Pitagora editrice, Bologna
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