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Corso di Impianti Meccanici – Laurea Triennale

Modulo 1

Impianti per la produzione di aria compressa

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Dott. Ing. Marco Pellegrini

Dott. Ing. Michele Gambuti

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

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Produzione di aria compressa

Formazione di condensa

Agenda

Dimensionamento e componenti

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Generalità

L’impianto per la produzione e la distribuzione dell’aria compressa è tra gli impianti di

stabilimento e di cantiere più importanti. L’aria compressa infatti rappresenta il fluido potenziale

per l’azionamento di macchine e utensili, per il trasporto di materiali, per l’azionamento di

servocomandi, per sistemi di regolazione, …

Per l’azionamento di utensili si preferisce l’aria compressa per ragioni di sicurezza, per avere

utensili più semplici ed economici o con impieghi particolari, anche se le tubazioni dell’aria

riducono la maneggevolezza ed il rendimento è talora piuttosto basso (rendimenti complessivi

intorno al 10%). In questo campo si opera con pressioni di 4÷8 bar.

Pressioni non molto superiori si utilizzano per l’azionamento di servocomandi, mentre nel

campo della regolazione si utilizzano pressioni più basse: 3÷15 psi (0,2÷1 bar).


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P&IL’impianto di produzione dell’aria compressa raffigurato è costituita da un compressore alternativo a due

stadi di compressione che aspira l’aria dall’ambiente e la manda, attraverso lo scambiatore S ed il

separatore di condensa SC al serbatoio di accumulo SA. Il raffreddamento è effettuato con acqua.

Anche tra stadio e stadio si effettua il raffreddamento dell’aria, con lo scambiatore S’, e la separazione della

condensa, con il separatore SC’.

L’impianto è poi completato da filtri F, scaricatori di condensa s con tubo di equilibramento t, e da termostati

T per mantenere la temperatura dell’acqua ai valori prescritti.


LEGENDA:

F = filtro

Fa = filtro dell’aria

P = pressostato

PI = Pressure Indicator

s = scaricatore di condensa

S = scambiatore di calore

SA = serbatoio di accumulo

SC = separatore di condensa

t = tubo equilibratore

T = valvola termostatica

VI = valvola di intercettazione

VS = valvola di sicurezza

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Compressore

A seconda delle applicazioni si usano vari tipi di compressori. In impianti

normali il compressore più utilizzato è quello alternativo, mentre per

grandi portate si utilizzano compressori rotativi a palette o a viti. Non si

utilizzano compressori Roots hanno una pressione di mandata limitata a

circa 1 barg.

Il compressore è poi generalmente monostadio, per pressioni fino 5-6

bar, o bistadio, per pressioni più elevate (nel campo dell’aria compressa,

non si raggiungono mai valori tali da richiedere tre o più stadi di

compressione). Frazionare la compressione permette di ridurre il lavoro

necessario per la compressione.

All’uscita dal primo stadio di compressione, l’aria compressa fino a circa 3 bar, viene raffreddata

transitando in uno scambiatore di calore.

La temperatura raggiunta dall’aria raffreddata dipende dal fluido utilizzato per asportare calore: nelle

installazioni fisse, il raffreddamento del compressore si effettua generalmente con acqua, mentre in

gruppi mobili (da cantiere ad esempio) il raffreddamento è ad aria.

L’aria entra quindi nel secondo stadio di compressione e viene compressa fino a circa 9 bar.

Occorre raffreddare ulteriormente l’aria compressa perché arrivi al serbatoio di accumulo e alla rete

di distribuzione con temperature accettabili (circa 30÷40°C).


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Circuito di raffreddamento ad acqua

Sul circuito di raffreddamento troviamo valvola di

intercettazione, filtro e tre diverse derivazioni.

La prima derivazione porta acqua nelle camicie del

compressore, la seconda derivazione porta acqua allo

scambiatore intermedio tra i due stadi di compressione e la

terza derivazione porta acqua nello scambiatore di calore a valle

del compressore.

Filtro d’aspirazione Fa

Il filtro d’aspirazione Fa attraversato dall’aria ambiente, è molto importante per intercettare le impurità

dell’aria, che se in un ambiente normale sono dell’ordine di 0,02÷0,005 g/m3, in ambiente industriale

possono raggiungere valori di 0,1 g/m3.

Prima di giungere al punto di raccolta l’acqua attraverso una valvola termostatica (chiamata anche

valvola economizzatrice) che regola la portata di acqua scaricata in base alla temperatura rilevata dal

proprio elemento sensibile. A monte delle valvole termostatiche sono posizionati dei filtri a protezione

delle valvole.


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Agenda


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Problema di formazione della condensa

Un problema non trascurabile in questi impianti è relativo alla condensazione del vapore

presente in aria. Bisogna assolutamente evitare che delle goccioline di acqua arrivino al

secondo stadio di compressione o agli utensili pneumatici perché, a causa della natura

incomprimibile dell’acqua, si avrebbe la rottura del cilindro o degli utensili.

La condensa che si forma viene quindi separata grazie a separatori e scaricatori di condensa.

L’aria è una miscela di gas, composta principalmente da: azoto, ossigeno, anidride carbonica,

gas nobili e vapor d’acqua.

Per la legge di Dalton, la pressione totale esercitata da una miscela di gas ideali, è pari alla

somma delle pressioni parziali dei singoli componenti. La pressione parziale di un componente

è quella che sarebbe esercitata dal singolo gas se fosse presente da solo in egual volume.

Il vapore contenuto in aria condensa quando vengono raggiunte le condizioni di saturazione,

ovvero quando ad una certa temperatura, la pressione parziale del vapore eguaglia la

pressione di condensazione relativa a quella temperatura.


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Diagramma di Mollier per l’acqua → Le grandezze specifiche sono riferite al kg di acqua

Es: con una pressione di 1 bar il vapore condensa a 100°C

con una pressione di 74 mbar il vapore condensa a 40°C


T [°C] 0,01 5 10 15 20 25 30 35 40 45

psat [kPa] 0,6113 0,8721 1,2276 1.7051 2,339 3,169 4,246 5,628 7,384 9,593

T [°C] 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

psat [kPa] 12,349 15,758 19,940 25,03 31,19 38,58 47,39 57,83 70,14 84,55

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Diagramma di Mollier per l’aria umida

Per una miscela di aria, il diagramma di riferimento è il diagramma di Mollier per l’aria umida.

In questo diagramma le grandezze specifiche sono riferite al kg di aria secca.

Le grandezze principali del diagramma sono la temperatura T della miscela (in ordinata), la

quantità di vapore in miscela x misurato in gvapore/kg aria secca (in ascissa), l’entalpia specifica della

miscela j (kJ/kgaria secca) ed il grado igrometrico φ.

Il grado igrometrico φ esprime il rapporto tra la quantità di vapore presente in aria e la quantità

di vapore che sarebbe presente in condizioni di saturazione alla temperatura cui è l’aria

(Taria=Tvapore):

𝛗 =𝐩𝐯

𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)

La curva con φ=1 prende il nome di curva di saturazione


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Diagramma di Mollier per l’aria umida → Le grandezze specifiche sono riferite al kg di aria secca

Il diagramma è riferito a una pressione costante (solitamente pressione atmosferica)


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Uno psicrometro è uno strumento per misurare l’umidità

dell’aria. È costituito da due termometri i cui bulbi sono

investiti dall’aria ambiente, o perché i termometri vengono

messi in rotazione o perché l’aria viene soffiata o aspirata con

apposita ventola.

Uno dei due termometri ha il bulbo ricoperto da una calza

(garza, mussola, cotone, …) impregnata d’acqua, sicché

segna, a regime, la temperatura a cui si porta l’aria

completamente satura di vapore (temperatura di bulbo umido

tb). L’altro segna la temperatura dell’aria in condizioni normali

(temperatura di bulbo secco o asciutto ta).

Riportando ta e tb sul diagramma di Mollier per l’aria umida, si

individua sulla curva di saturazione lo stato rappresentativo

dell’aria satura di vapore 2. Poiché l’evaporazione dell’acqua

non ha dato luogo a sensibile variazione dell’entalpia, lo stato

rappresentativo dell’aria ambiente 1 giacerà lungo

l’isoentalpica per 2 in corrispondenza di ta.


Temperatura di bulbo secco e temperatura di bulbo umido

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pv = RT →

• x =𝜌v

𝜌a=

Τkgv m3

Τkga m3 =kgv

kga

• Tv = Ta = T

• Rv =R0

μv, μv = 18 kg/kmol

• Ra =R0

μa, μa ≃ ω02 ∙ μ02 +ωN2

∙ μN2= 0,23 ∙ 32 + 0,77 ∙ 28 = 28,92 kg/kmol

papv

∙vavv

=R0μa

∙μvR0

∙T

T→

papv

∙𝜌v𝜌a

=μvμa

→ x =μvμa

∙pvpa

=18

28,92∙pvpa

= 0,622pvpa

φ =Pv

Psat(T)→ 𝐱 = 𝟎, 𝟔𝟐𝟐

𝛗 𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)

𝐩 − 𝛗 𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)

pava = RaTa a = aria secca

pvvv = RvTv v = vapor d’acqua

p = pressione totale dell’aria umida

Calcolo della condensa da rimuovere


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La temperatura raggiunta dall’aria a seguito del raffreddamento, determina la pressione di

saturazione del vapore. Entrambe le grandezze sono pertanto note.

Anche la pressione dell’aria compressa è nota.

Se conoscessi il grado igrometrico, sarebbero noti anche gli x grammi di vapore contenuti

nell’aria compressa che, confrontati con gli x0 grammi di vapore iniziale, determinano la quantità

di acqua che condensa.

All’uscita di uno stadio di compressione, la pressione dell’aria risulta triplicata e, secondo la

legge di Dalton, lo stesso accade alla pressione parziale del vapore. Le elevate temperature di

fine compressione sono comunque tali da determinare una elevata pressione di saturazione del

vapore, maggiore rispetto alla sua pressione parziale (φ<1).

L’aria all’uscita dallo stadio di compressione viene raffreddata sotto i 40°C: raffreddando l’aria (e

quindi anche il vapore), la pressione di saturazione del vapore cala (l’aria può contenere meno

vapore). Quando pressione parziale e pressione di saturazione del vapore si eguagliano, inizia

a formarsi della condensa (φ=1).

Pertanto, a valle dello scambiatore di calore siamo sempre in condizioni di saturazione: φ = 1.

𝐱 = 𝟎, 𝟔𝟐𝟐𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)

𝐩 − 𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)


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𝐱𝐬𝐚𝐭 = 𝟎, 𝟔𝟐𝟐𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)

𝐩 − 𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)

Nel secondo stadio di compressione l’aria entra in condizioni di saturazione (situazione limite

per evitare che delle goccioline arrivino nel cilindro) per essere compressa. Tuttavia l’aumento

di temperatura dovuto a perdite e compressione, fa aumentare la pressione di saturazione del

vapore, allontanando l’aria dalle condizioni di saturazione.

(Si osservi come x sia inversamente proporzionale a p)

Anche nel serbatoio d’accumulo e lungo la rete

di distribuzione si ha l’estrazione di condensa.

L’aria è infatti in condizioni di saturazione e una

diminuzione della temperatura del sistema

comporterebbe una diminuzione della

pressione di saturazione e si avrebbe quindi

condensazione.

Perdite di carico lungo il circuito comportano

una diminuzione della pressione e, quindi, un

allontanamento dalle condizioni di saturazione.


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Agenda


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Dimensionamento dell’impianto:

1) La programmazione delle utenze determina la portata di aria da comprimere.

2) La pressione richiesta dall’utenza più sfavorita (maggiori perdite di carico) determina la

pressione a cui produrre l’aria compressa.

3) Si procede quindi definendo la tipologia e la taglia del compressore.

4) Si definisce la quantità di calore da asportare dalle camicie del compressore (compressore

alternativo) e l’acqua necessaria.

5) Si calcola la potenza di raffreddamento necessaria per raffreddare l’aria negli scambiatori

intermedio e finale.

6) Si calcola la condensa da asportare.

7) Si dimensiona il serbatoio.

Non marginale è poi l’individuazione di tutti gli elementi di regolazione o di salvaguardia

necessari alla realizzazione dell’impianto come valvole termostatiche, filtri dell’acqua, filtro

dell’aria, …


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Servizio

Il primo passo da compiere per

dimensionare l’impianto è redigere un

elenco delle utenze che devono essere

servite.

I parametri fondamentali legati ad un utenza

sono il consumo a pieno carico, il

coefficiente di utilizzo ed il fattore di

contemporaneità.

Il coefficiente di utilizzo indica la frazione di

tempo durante la quale l’utensile

pneumatico considerato verrà impiegato,

rispetto al tempo necessario a compiere

l’intero ciclo di lavorazione (takt time).

Es:

takt time = 10 min e coeff. di utilizzo = 0,25.

L’avvitatrice considerata lavora 2,5 minuti

ogni ciclo di lavorazione.

Moltiplicando il consumo a pieno carico di un utensile pneumatico per il tempo di funzionamento

dell’utensile, è noto il volume di aria compressa richiesta.


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Un ulteriore parametro fondamentale da tenere in considerazione è il coefficiente di

contemporaneità.

Se più utensili lavorano contemporaneamente, bisogna comunque essere in grado di fornire

a ciascuno di essi la portata di aria compressa richiesta.

Bisogna pertanto dimensionare l’impianto sulla portata massima istantanea richiesta e non

sulla portata media.

È bene quindi cercare abbassare il coefficiente

di contemporaneità trasferendo i picchi di

produzione in altri periodi di tempo, al fine di

abbassare la massima portata istantanea

richiesta (costi di impianto e consumi

energetici minori).


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Si potrebbe pensare di non dimensionare il compressore rispetto alla

portata massima istantanea e ricorrere ad un serbatoio d’accumulo.

Accumulare aria compressa tuttavia non è così semplice.

Per serbatoi in pressione infatti, per evitare di avere elevate tensioni

circonferenziali occorrono spessori s del serbatoio importanti (con

conseguenti maggiori costi sia per la materia prima che per le lavorazioni

meccaniche)

Di fatto non si realizzano mai accumuli importanti (dimensioni massime

intorno al m3; al massimo si collegano più serbatoi in parallelo per realizzare

volumi maggiori).

Il serbatoio serve solo come elemento di compensazione per sopperire ai carichi di punta e,

pertanto, bisogna dimensionare l’impianto rispetto alla portata massima istantanea richiesta

dall’utenza.

Per un dimensionamento di massima del serbatoio si può ricorrere alle seguenti relazioni:

k = 50 ÷ 100 Q < 100 m3/hk = 100 ÷ 300 100 m3/h < Q < 600 m3/hk = 300 Q > 600 m3/h

V =Q

k


R

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Sul serbatoio sono installati i seguenti dispositivi:

• Una valvola di sicurezza VS;

• Un indicatore di pressione PI;

• Un pressostato differenziale P che comanda l’accensione o

lo spegnimento del motore elettrico del compressore

qualora la pressione nel serbatoio cala sotto un valore

minimo o eccede un valore massimo.

• Uno scaricatore di condensa con filtro di protezione e tubo

equilibratore

• Uno scarico manuale.


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Rete di distribuzione


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Rete di distribuzione

Ogni volta che si ha una derivazione, l’aria viene introdotta sempre dal basso in pozzetti di

raccolta in maniera tale che l’aria sale verso l’alto per continuare il suo percorso, mentre le

goccioline di condensa drenano verso il fondo del pozzetto.

Anche lungo la linea vengono posti pozzetti con scaricatori di condensa.

Le derivazioni che arrivano alle utenze vengono sempre prelevate dall’alto rispetto alla condotta

di aria compressa per evitare di prelevare condensa.

L’architettura della rete di distribuzione è tale che ogni linea ha sempre una pendenza di almeno

il 4÷5 ‰ per permettere alla condensa di drenare facilmente fino al pozzetto di raccolta e

scaricatore di condensa.


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Riduttori di pressione

È spesso necessario o utile (ad esempio per allontanarsi dalle condizioni di saturazione) ridurre la pressione

di una linea.

Il riduttore di pressione monitora la pressione a valle. Affinché venga prelevata la pressione statica, la presa

di pressione deve essere posizionata un numero di diametri sufficientemente distante dall’ultima

accidentalità prima e dopo la presa di pressione stessa (UNI EN ISO 5167).

A valle del riduttore è presente un tratto di tubazione divergente seguito da tubazioni di diametro maggiore

(ciò è conseguenza della riduzione di pressione)

Sempre a valle del riduttore è installata una valvola di sicurezza per garantire che la linea di bassa

pressione non raggiunga mai la pressione della linea a monte del riduttore.


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Raffreddamento a ciclo chiuso

L’acqua per il raffreddamento proviene da una torre

di raffreddamento

L’acqua contiene sempre dei gas in soluzione (es:

aria) e quando si scalda, tende a rilasciarli

compromettendo lo scambio termico. All’uscita dal

primo stadio di compressione viene quindi

posizionato uno scaricatore di aria (jolly).

Usciti da primo stadio l’acqua entra nello

scambiatore aria compressa - acqua e poi raggiunge

la seconda camicia.

Occorre quindi garantire una portata di acqua

sufficiente a raffreddare tutte queste utenze in serie.

All’uscita della seconda camicia è installata una valvola a 3 vie comandata come una valvola termostatica:

se la temperatura in ingresso alla valvola non è sufficientemente alta per essere inviata alla torre di

raffreddamento (es: all’avviamento), l’acqua viene fatta ricircola e rimanda al compressore. A regime l’acqua

torna invece alla torre di raffreddamento.


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Raffreddamento a ciclo aperto

Per piccole applicazioni dove le

necessità di raffreddamento del

compressore sono modeste, si può

adottare un sistema di raffreddamento

con acqua a perdere, prelevando acqua

dall’acquedotto.

All’uscita dalla seconda camicia, si

notano in figura un pozzetto per

l’alloggiamento del bulbo della valvola

termostatica, un filtro a protezione della

valvola termostatica, la valvola

termostatica (dotata di bypass in caso di

guasto) e un indicatore di flusso.


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Raffreddamento a ciclo chiuso con reintegro e

controllo di temperatura

Architettura per compressori di piccole-medie dimensioni

con necessità di raffreddamento non troppo elevate.

Un galleggiante controlla la portata di acqua nuova al

serbatoio.

Sul ramo di deviazione troviamo un filtro (a protezione

della valvola termostatica) e una valvola termostatica. Il

bulbo della valvola termostatica deve essere posizionato

in un punto dove possa rilevare una temperatura

significativa.

L’acqua viene prelevata dal serbatoio tramite una pompa

e inviata agli stadi da raffreddare.

Il serbatoio è a cielo aperto, pertanto si raffredderà

scambiando calore tramite le parete e la superficie, e

cedendo umidità all’aria esterna.

Se la temperatura dell’acqua nel serbatoio dovesse salire eccessivamente, la valvola termostatica si apre e

viene introdotta nuova acqua.

L’acqua in eccesso viene scaricata in fogna attraverso il troppo pieno: il raffreddamento è con acqua a

perdere solo quando la temperatura sale sopra un certo valore).


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Scambiatore aria compressa - acqua

Si tratta di uno scambiatore a fascio tubiero a tubi d’acqua.

È un cilindro in pressione sviluppato in senso longitudinale (se il raggio è modesto, si può

ridurre lo spessore del mantello senza aver ripercussioni dal punto di vista delle tensioni

tangenziali: 𝜎 ∝ Τ𝑝𝑅 𝑠 )

Lo scambio avviene in controcorrente (in realtà si avranno correnti incrociate).

All’uscita dallo scambiatore l’acqua entra in un economizzatore (valvola termostatica) preceduta

dal proprio filtro di protezione. È bene osservare come la valvola termostatica viene sempre

installata a valle dell’impianto, in maniera tale da mantenere l’impianto alla propria pressione

massima possibile: così facendo anche per temperature elevate ci si allontana dalle condizioni

di saturazione.


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Separatore di condensa

Si tratta di un separatore inerziale.

All’interno vi è un setto intermedio che separa

ingresso e uscita. L’aria è costretta a transitare

attraverso settori circolari: le goccioline

sospese soggette a forza centrifuga vanno a

collidere con le pareti e vengono separate. Il

film liquido che si forma viene raccolto verso il

basso e arriva allo scaricatore di condensa.

Il separatore di condensa deve essere

sovradimensionato per permettere l’estrazione

di condensa in qualunque situazione (es: a

seguito di un calo generale della temperatura

dell’aria compressa in rete).

La presenza di un separatore di condensa, pur essendo indispensabile, penalizza il rendimento

dell’impianto.


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Scaricatore di condensa

Un piccolo galleggiante apre la luce di scarico quando

la condensa raccolta raggiunge un certo livello.

Problema dell’invaso: se il condotto tra separatore di

condensa e scaricatore di condensa è troppo piccolo,

si possono formare dei tappi di aria che impediscono

alla condensa di scendere verso lo scaricatore (la

pressione dell’aria è pari alla pressione di rete più il

battente di acqua condensata che cerca di

raggiungere lo scaricatore).

Per evitare ciò si utilizza il tubo equilibratore che

libera l’invaso di aria e fa in modo che l’acqua possa

scendere.

Condotti di scarico troppo grandi, comportano una

fuoriuscita di aria compressa non trascurabile dato

che il salto di pressione tra l’aria contenuta nello

scaricatore di condensa e l’ambiente può raggiungere

gli 8-9 bar.


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Portata di fuga:

In fase di collaudo di un impianto per la produzione di aria compressa,

si chiudono tutte le utenze (ogni stacco è infatti dotato di una propria

valvola di intercettazione a sfera) e si mette in funzione l’impianto.

La pressione dell’impianto crescerà fino ad un valore di pressione

massimo p1, raggiunto il quale, il pressostato di massima ferma

l’impianto.

A impianto fermo e in assenza di utenze, la pressione della rete inizia

a calare a causa dei trafilamenti.

Con un manometro e un cronometro si vede in quanto tempo (τ) la pressione cala fino a raggiungere il

valore di ripartenza p2. Il volume di aria persa dalla rete a causa di trafilamenti è pari a V = qτ .

La portata di fuga q non è nota.

Quando il compressore riparte, si misura il tempo necessario τ’ per tornare a p1. Il volume di aria

reintrodotto è pari a quello elaborato dal compressore al netto delle fughe (sempre presenti): V = Q − q τ′.

Vale la relazione: 𝐪𝛕 = 𝐐 − 𝐪 𝛕′ dalla quale è possibile stimare la portata di fuga.

A cause dei trafilamenti presenti, il rendimento volumetrico dell’impianto risulterà quindi peggiorato di un

ulteriore fattoreQ−q

q.


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