Le Utilities in uno stabilimento produttivo – Aria Compressa
L’aria compressa è una delle principali Utilities a servizio di uno stabilimento produttivo e ha molteplici applicazioni, tra cui l’azionamento di motori pneumatici (ad esempio martelli, avvitatori, agitatori), il funzionamento di macchinari di tipo pneumatico (macchine utensili, pompe), specifiche attività di produzione (asciugatura, verniciatura) e nell’industria di processo viene utilizzata come Aria Strumentale (valvole e strumenti).
La corretta gestione, dimensionamento e installazione del sistema di aria compressa è fondamentale per tre motivi:
- Riduzione dei Costi Operativi
- Evitare danneggiamenti alle macchine e agli strumenti
- Evitare Fermi Produttivi
Table of Contents
Come dimensionare l’impianto dell’aria compressa
I due dati fondamentali per dimensionare correttamente l’impianto dell’aria compressa sono i seguenti: portata totale dell’aria (solitamente misurata in Nm3/h o scfm) e pressione di esercizio (solitamente in bar, atm o psi).
Differenza tra Nm3/h e m3/h
Per la stima della portata totale dell’aria compressa è importante ricordarsi della differenza tra Nm3/h e m3/h.
Differenza tra Nm3/h e m3/h: il Nm3/h (“normalmetrocuboora”) non è la portata effettiva di aria, ma è una portata standardizzata nelle cosiddette Condizioni Normali (0°C, 1 bar). Analogo discorso vale per la misura imperiale scfm (standard cubic feet minute). Tipicamente i costruttori delle macchine riporteranno il dato di consumo stimato dell’aria come dato in Nm3/h o scfm. Se il dato viene riportato in m3/h o in altre misure di portata effettiva, andrà convertito in unità standard. Per convertire il m3/h in Nm3/h, conoscendo la pressione e la temperatura effettiva di applicazione, basterà applicare la seguente formula:
Portata in Nm3/h = Portata effettiva in m3/h * (Pressione in bar)*(273,15273.15 + Temperatura in °C)
Ad esempio, per una macchina che richiede una portata di aria di 1 l/s a 6 bar a temperatura ambiente.
Portata effettiva in m3/h = 1 l/ s *3600 /1000 = 3.6 m3/h
Portata in Nm3/h = 3,6 m3/h * (6 bar)*(273.15273.15 + 25)= 19,78 Nm3/h
Come stimare la portata totale dell’aria del compressore
Per stimare la portata totale dell’aria per dimensionare il compressore bisognerà stilare una lista di tutte le utenze che il compressore richiede e per ogni utenza bisognerà risalire al dato di portata richiesta. Tipicamente i costruttori riporteranno il dato di portata richiesta nelle specifiche tecniche. Dove non è possibile risalire ad un dato bisognerà fare una stima. Ad esempio per le valvole pneumatiche tipicamente viene considerato sicuro il dato di 1 scfm (1.61 Nm3/h) per valvola.
Quindi, per stimare la portata di aria totale dell’aria compressa bisognerà sommare la portata richiesta da tutte le utenze. Per non sovrastimare l’impianto è importante fare il seguente ragionamento:
- Utenze che funzionano in continuo. Per queste possiamo sommare semplicemente il dato del costruttore.
- Utenze discontinue. Per queste utenze bisognerà stimare il grado di contemporaneità in quanto non tutte avranno bisogno di aria compressa. Alcuni esempi possono essere pistole, avvitatori, pompe, valvole. La stima del grado di contemporaneità dipende dal processo produttivo ma in linea di massima si può considerare un 20-30% di grado di contemporaneità per applicazioni standard.
Ultima considerazione che bisogna fare è aggiungere un fattore di sicurezza per tenere conto di eventuali picchi, future espansioni o future perdite di rete. Tipicamente il valore utilizzato è di aggiungere al nostro valore calcolato un 25-50% in più.
In conclusione, la portata totale dell’aria compressa possiamo calcolarla come segue:
Portata totale (in Nm3/h o scfm) = (somma di tutte le utenze continue + somma di tutte le utenze discontinue * grado di contemporaneità ) * (1 + fattore sicurezza)
Ad esempio, per un nuovo polo produttivo abbiamo stimato che:
- La portata necessaria per le utenze continue è di 200 Nm3/h
- La portata necessaria per tutte le utenze discontinue è di 4000 Nm3/h.
- Consideriamo un grado di contemporaneità del 20%
- Consideriamo come fattore di sicurezza il 25% in più
La portata totale richiesta sarà:
Portata totale = (200 + 4000 * 0.20 ) * (1 + 0.25) = 1250 Nm3/h
Come valutare la pressione di esercizio dell’aria compressa
In generale bisognerà valutare qual è la pressione massima richiesta per il funzionamento delle macchine. Tipicamente un valore di 7 bar sarà sufficiente per il funzionamento della maggior parte delle applicazioni standard.
Questa pressione sarà quella richiesta all’utenza finale, bisognerà tenere conto però delle perdite di pressione lungo la rete che saranno influenzate da come viene progettato l’impianto. Le tubazioni e gli accessori dovranno essere dimensionati per ridurre al massimo le perdite di pressione. Il 2-3% di perdite di pressione viene tipicamente utilizzato come un ottimo tra costi d’investimento (diametro tubazioni) e costi operativi.
Come valutare la taglia del compressore in kW di potenza elettrica
I costruttori dei compressori sapranno consigliarvi la taglia del compressore a partire dai dati di consumo di aria, di pressione richiesta e tipologia di applicazione.
Per una rapido dimensionamento per la maggior parte delle applicazioni potete far riferimento alla seguente tabella:
| Consumo in Nm3/h | Pressione in bar | Potenza in kW |
| 8 | 7 | 2 |
| 32 | 7 | 4 |
| 65 | 7 | 7 |
| 100 | 7 | 11 |
| 130 | 7 | 13 |
| 220 | 7 | 22 |
| 320 | 7 | 33 |
| 410 | 7 | 42 |
| 540 | 7 | 56 |
| 880 | 7 | 91 |
| 1000 | 7 | 103 |
| 1200 | 7 | 124 |
| 1500 | 7 | 155 |
| 2000 | 7 | 206 |
I costi energetici dell’impianto di aria compressa
Per quanto riguarda i costi operativi bisogna considerare che l’aria compressa rappresenta una quota parte importante dei costi energetici totali, e in maniera grossolana ogni 1 kW di energia prodotta richiede 8 kW di energia elettrica.
Inoltre considerando il ciclo di vita di un sistema di aria compressa (circa 10-15 anni), i costi totali possono essere suddivisi in questa maniera:
- 70-75% Costi Energetici
- 15-20% Costi dei compressori, accessori, tubazioni e costi di installazione
- 10% Costi di Manutenzione
I due principi fondamentali per la riduzione dei costi sono i seguenti:
- Ridurre al minimo le perdite: basti pensare che una singola perdita di qualche millimetro a 7 bar può costare anche 1000 Euro all’anno. Stabilimenti molto vecchi possono arrivare anche ad avere il 20% dei costi di produzione dell’aria compressa dovuti alle perdite di impianto
- Ridurre la pressione di impianto: ogni riduzione di 140 mbar può far risparmiare l’1% dei costi di energia. Per questa ragione è molto importante dimensionare e installare correttamente l’impianto per ridurre al minimo le perdite di carico. Un’altra domanda molto importante che bisogna chiedersi è qual’è la pressione di cui abbiamo bisogno?
Altri ragionamenti utili per la riduzione dei costi di energetici:
- Utilizzo di compressori a velocità variabile, dotati di inverter
- Selezione della tecnologia di compressione migliore a seconda delle caratteristiche di impianto (compressori alternativi, scroll, a vite o altri)
- Recupero del calore in altri processi produttivi o semplicemente per il riscaldamento.
Come dimensionare le tubazioni di un impianto di aria compressa
Nel dimensionare correttamente le tubazioni di un impianto di aria compressa, l’obiettivo principale è tenere basse (<2-3%) le perdite di pressione. Le perdite di pressione sono influenzate da:
- Tipologia di impianto (se ad anello o a ramo singolo)
- Lunghezza delle tubazioni (perdite di carico distribuite) e dettaglio di impianto (numero di curve, gomiti, valvole, restringimenti, accoppiamenti o altro)
- Materiale delle tubazioni e quindi rugosità della superficie
- Diametro delle tubazioni
Tipologia di Impianto
Gli impianti ad anello chiuso dove possibile sono preferibili agli impianti a ramo singolo perché riducono le perdite di carico, gli sbalzi di pressione e inoltre favoriscono gli interventi manutentivi in singoli punti.
Lunghezza delle tubazioni
La lunghezza totale delle tubazioni dipende dal layout dell’applicazione. E’ sempre consigliabile ridurre al minimo il numero di curve o altri elementi che possano aggiungere perdite di pressione al nostro circuito. In caso di tubazioni rettilinee molto lunghe bisognerà tenere in considerazione le dilatazioni termiche che possono creare delle sovrappressioni e quindi rottura delle tubazioni. E’ consigliabile ogni 50 m circa inserire un gomito a “U” che possa funzionare come giunto elastico che assorba le dilatazioni termiche.
Il metodo più semplice per tenere conto delle perdite di pressione dovute agli accessori è di trasformarle in metri equivalenti di tubazioni lineare. Ad esempio è possibile trasformare una curva a 90° in una certa quantità di metri lineari.
Per una stima rapida è possibile fare riferimento alla seguente tabella:
| Metri lineari equivalenti | |||||||
| Diametro della tubazione -> | 25 mm | 40 mm | 50 mm | 80 mm | 100 mm | 125 mm | 150 mm |
| Curva dove R = d | 0.3 | 0.5 | 0.6 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 |
| Curva dove R = 2d | 0.15 | 0.25 | 0.3 | 0.5 | 0.8 | 1.0 | 1.5 |
| Gomito a 90°C | 1.5 | 2.5 | 3.5 | 5 | 7 | 10 | 15 |
| Giunto a T | 2 | 3 | 4 | 7 | 10 | 15 | 20 |
| Valvola di ritegno | 8 | 10 | 15 | 25 | 30 | 50 | 60 |
| Valvola a diaframma | 1.2 | 2.0 | 3.0 | 4.5 | 6 | 8 | 10 |
| Valvola a saracinesca | 0.3 | 0.5 | 0.7 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 |
Per esempio 4 curve a 90° per una tubazione di diametro 50 mm equivalgono a 3.5*4 = 14 metri di tubazione lineare.
Quindi in conclusione i metri di tubazione saranno uguali ai metri di tubazione lineari, sommati all’equivalente di metri lineari per tutti i punti che introducono ulteriori perdite di pressione.
Materiale delle tubazioni
Il materiale dipenderà dalle applicazioni tecniche, ma tipicamente i materiali utilizzati sono i seguenti:
- Acciaio Zincato: costi contenuti e adeguato alla maggior parte dei casi. Suscettibile alla corrosione.
- Acciaio Inox: costoso ma resistente alla corrosione
- PVC: economico ma poco resistente
- Alluminio: costoso ma è possibile raggiungere bassi gradi di rugosità che vanno a diminuire le perdite di pressione
Diametro delle tubazioni
Il diametro delle tubazioni va opportunamente dimensionato per ridurre le perdite di carico. Il metodo più semplice è far riferimento a delle tabelle di dimensionamento. Ad esempio in caso di circuito a 7 bar si può far riferimento alla seguente tabella, che dimensiona il diametro per tenere le perdite di pressione inferiori al 4% (0.30bar). Bisognerà scegliere il diametro partendo dalla lunghezza totale delle tubazioni (avendo già sommato la lunghezza equivalente di eventuali punti di caduta di pressione) e dalla portata totale richiesta.
Ad esempio per un circuito di circa 500 m e di portata richiesta di 150 m, sarà corretto un diametro di 40 mm.
