Oleodinamica e Pneumatica...Oleodinamica e Pneumatica Le principali differenze con l’oleodinamica...

Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università di Cagliari 1

Oleodinamica e PneumaticaIntroduzione

Il termine PNEUMATICA (PNEUMA dal greco antico) definisce tutte le applicazioni della meccanica dei fluidi comprimibili

Benché l’aria sia un elemento ampiamente disponibile in natura solo recentemente ha avuto ampia diffusione in ambito industriale (ultimi 50 anni). Essa infatti rappresenta il mezzo più semplice ed economico per risolvere i problemi di automazione.


Oleodinamica e PneumaticaCaratteristiche dell’aria

- Disponibilità illimitata e ovunque

- Trasporto a grandi distanze mediante tubazioni ma senza necessità di linee per il ritorno

- Accumulo in serbatoi o in bombole da cui può essere prelevata in tempi e modi opportuni

- La temperatura influenza le sue caratteristiche fisiche ma non ne modifica l’affidabilità

- Antideflagranza nessun rischio di esplosione o incendio- Pulizia nessun pericolo di inquinamento in caso di fughe- La costruzione dei componenti è di semplice concezione


Oleodinamica e PneumaticaCaratteristiche dell’aria compressa

- Velocità operative elevate- Regolazione progressiva delle forze e delle velocità-Sovraccarichi sui componenti fino al bloccaggio

ASPETTI NEGATIVI- Preparazione per non causare usura dei componenti- Comprimibilità non permette di ottenere velocità

costanti e regolari dei cilindri- Forza sviluppata è limitata dalla press. max. (7 bar)- Scarico rumoroso richiede l’uso di silenziatori- Costo elevato dell’energia pneumatica ma è basso

quello dei componenti


Oleodinamica e PneumaticaLe principali differenze con l’oleodinamica sono:

Oleodin. Pneumatica• livello di pressione 300 bar 2-15 bar• velocità del fluido 7-8 m/s 20-40 m/s• comprimibilità β=1500 MPa β=2 MPa• velocità degli attuatori f(Q) legata a m• viscosità dinamica dimin. con T cresce con T• arresto att. sotto carico possibile impossibile• scarico del fluido di lavoro serbatoio ambiente


Oleodinamica e PneumaticaFluido di lavoro

• La viscosità dell’aria è assai più bassa di quella del fluido idraulico per cui si possono realizzare velocità del flusso più elevate.

• Fughe considerevoli dai meati• Non si può avere smorzamento viscoso

CONDIZIONI NORMALIPn =101325 Pa Tn = 0 °C R = 287 J/kg K ϕ =0

CONDIZIONI STANDARDPst =101325 Pa Tst = 25 °C R = 287 J/kg K ϕ =0

CONDIZIONI ISOPst =101325 Pa Tst = 15 °C R = 287 J/kg K ϕ =0


Oleodinamica e PneumaticaTable 1: Standard reference conditions in current use

Temp Absolute pressure Relative humidity Publishing or establishing entity°C kPa % RH0 100.000 IUPAC (present definition) 0 101.325 IUPAC (former definition) , NIST, ISO 1078015 101.325 0 ISA , ISO 13443, EEA, EGIA20 101.325 EPA, NIST25 101.325 EPA 25 100.000 SATP20 100.000 0 CAGI15 100.000 SPE°F psia % RH60 14.696 SPE , OSHA , SCAQMD 60 14.73 EGIA , OPEC, EIA59 14.503 78 Army Standard Metro 59 14.696 60 ISO 2314, ISO 3977-2


Oleodinamica e PneumaticaThe full names of the entities listed in Table 1:IUPAC: International Union of Pure and Applied ChemistryNIST: National Institute of Standards and TechnologyISA: ICAO's International Standard AtmosphereISO: International Organization for StandardizationEEA: European Environment AgencyEGIA: Electricity and Gas Inspection Act (of Canada)EPA: U.S. Environmental Protection AgencySATP: Standard Ambient Pressure and Temperature CAGI: Compressed Air and Gas InstituteSPE: Society of Petroleum EngineersOSHA: U.S. Occupational Safety and Health AdministrationSCAQMD: California's South Coast Air Quality Control District OPEC: Organization of Petroleum Exporting CountriesEIA: U.S. Energy Information AdministrationStd. Metro: U.S. Army's Standard Metro (used in ballistics)


Oleodinamica e PneumaticaUmidità dell’aria

La quantità d’acqua presente nell’aria è funzione delle condizioni climatiche ambientali.L’umidità assoluta è la quantità d’acqua contenuta in un m3 di aria. La quantità di saturazione è invece la quantità d’acqua che un m3 d’aria può assorbire a quella temperatura.

100xesaturaziondiquantità

assolutaumiditàrelativaumidità =

Al massimo l’umidità relativa è pari al 100% (punto di rugiada)


Oleodinamica e PneumaticaLa quantità di vapore contenuta nell’aria atmosferica cresce con la temperatura. Inoltre all’aumentare della pressione l’umidità relativa cresce.


Oleodinamica e Pneumatica GENERAZIONE

DISTRIBUZIONE

UTILIZZAZIONE

TRATTAMENTO

REGOLAZIONE

COMPRESSORI

REFRIGERATORI ESSICCATORI

FILTRI

RETI E CONNESSIONI

VALVOLE

ATTUATORI


Oleodinamica e Pneumatica

Gruppo di alimentazione

• Gruppo di generazione dell’aria compressa

• Rete di distribuzione alle utenze

• Gruppo di condizionamento per ogni utenza

Filtro con separatore di condensaValvola riduttrice di pressioneLubrificatore


Oleodinamica e PneumaticaCompressori

I compressori sono delle macchine utilizzate per comprimere l’aria e sono classificabili nelle due categorie principali:

compressori volumetricicompressori dinamici

Compressori volumetriciNei compressori volumetrici l’aumento di pressione si ottiene per progressiva riduzione del volume in cui viene intrappolato il gas.

- compressori alternativi a pistoni- compressori rotativi a vite


Oleodinamica e PneumaticaCompressore alternativo a pistoni

0 0.5 10

2

4

6

8

10

p [bar]

V [dm ]3

23

4 1Vn Vc

Vc = π/4 d2 c cilindrataVn = µVc volume nocivo o spazio morto

B

C

M

V1 V2

c

S

d


Oleodinamica e PneumaticaValvole di aspirazione e di mandata

1. Sede valvola2. Scanalature circolari concentriche3. Piastre o anelli4. Molle a spirale5. Piastra di fissaggio6. Vite di fissaggio


Oleodinamica e PneumaticaRegolazione dei compressori

Regolazione per marciaa vuoto

Regolazione percarico parziale

Regolazione perfunz. intermittente

a) messa a scarico;

b) isolamento delcircuito diaspirazione;

c) apertura permanentedella valvola diaspirazione.

d) riciclo fra mandata easpirazione.

a) regolazione sullavelocità dirotazione;

b) strozzamentoall’aspirazione;

c) variazione dellospazio morto.

a) regolazioneON/OFF.


Oleodinamica e PneumaticaRegolazione per strozzamento all’aspirazione

serbatoiovalvola

compressore

attuatore


Oleodinamica e PneumaticaRegolazione per apertura permanente della valvola di aspirazione


Oleodinamica e PneumaticaCompressori rotativi

I compressori rotativi sono delle macchine volumetriche• compressori rotativi a palette• compressori rotativi ad ingranaggi

Compressore a palette



Compressore Roots

Compressore ad ingranaggi



Compressore rotativo a vite

tenuta

ingranaggitenuta

cassa

Sequenza delle fasi di funzionamentorotori


Oleodinamica e PneumaticaPreparazione dell’aria compressa

Le impurità sotto forma di impurità, particelle di ruggine, residui d’olio di lubrificazione e umidità sono fonti di inconvenienti tecnici che possono causare danni ai componenti pneumatici.

Si effettua un trattamento preliminare dell’aria compressa immediatamente a valle del compressore e una separazione fine, la riduzione di pressione e la lubrificazione si realizzano direttamente all’utilizzo.

Particolare attenzione viene rivolta all’umidità contenuta nell’aria compressa. L’umidità presente nell’aria aspirata dal compressore viene trascinata lungo la rete di distribuzione sotto forma di condensa.



Rimedi:

- Filtraggio dell’aria aspirata a monte del compressore;

- Utilizzo di compressori non lubrificati;

- Essiccamento dell’aria in uscita dal compressore.


Oleodinamica e PneumaticaUnità di trattamento dell’aria compressa


Oleodinamica e PneumaticaGruppo di trattamento dell’aria compressa

1. Ingresso dell’aria e filtro aria 2. Compressore a vite3. Radiatore dell’aria4. Uscita dell’aria trattata5. Separatore dell’olio e dell’acqua6. Carter olio7. Scambiatore olio


Oleodinamica e PneumaticaSistemi di filtrazione all’aspirazione del compressore

FILTRI A SECCO

Filtro a CartucciaFiltro a Feltro


Oleodinamica e PneumaticaSistemi di filtrazione all’aspirazione del compressore

FILTRI A UMIDO

Filtro a bagno d’olio


Oleodinamica e PneumaticaSistemi di filtrazione a valle del compressore

Filtro Centrifugo Filtro a Fibre Filtro a Coalescenza



Metodi di Essiccamento:

- Essiccamento ad assorbimento;

- Essiccamento ad adsorbimento;

- Essiccamento a freddo.


Oleodinamica e PneumaticaEssiccamento ad assorbimento

Procedimento puramente chimicoL’aria compressa attraverso un filtro di materiale disidratante (sale igroscopico)

Poco usato, elevato consumo di materiale assorbente, punto di rugiada = 5°C.

Materiale assorbente

solido

Liquido (NaCl, H2SO4) corrosione

insolubili

deliquescenti (litio, CaCl)

calce vivaperclorato di Mg


Oleodinamica e PneumaticaEssiccamento ad assorbimento


Oleodinamica e PneumaticaEssiccamento ad adsorbimento

Procedimento basato su un fenomeno fisico che consiste nel deposito di sostanze sulla superficie di corpi solidi.Il materiale disidratante denominato gel è biossido di silicio.Il materiale assorbente trattiene l’acqua e il vapore acqueo ma non l’olio. Quando il prodotto è saturo occorre rigenerare il letto di gel sottoponendolo ad un flusso di aria calda che provoca la rievaporazione dell’acqua trattenuta.Il calore necessario per la rigenerazione può essere fornito da una resistenza elettrica oppure dallo scambio termico con aria calda in uscita dal compressore. Due elementi ad adsorbimento operano in parallelo in modo che si possa disporre costantemente di uno di essi mentre l’altro è in rigenerazione. Punto di rugiada -30°C e inferiori.


Oleodinamica e PneumaticaEssiccatore ad adsorbimento


Oleodinamica e PneumaticaEssiccamento per refrigerazione

L’aria compressa viene raffreddata provocando la condensazione di una grande quantità di acqua che viene separata. Dopo il raffreddamento l’aria viene nuovamente riscaldata fino alla temperatura ambiente affinché non si formi condensa nei tubi.Il punto di rugiada è compreso fra 2 ÷ 10°C non potendo scendere a valori più bassi a causa del congelamento dell’acqua condensata.L’aria compressa viene convogliata in uno scambiatore aria-aria dove si raffredda mentre l’aria secca uscente si riscalda. La condensa di aria e olio prodotta in questo scambiatore viene estratta in un primo separatore.L’aria pre-raffreddata entra quindi in un gruppo frigorifero dove il raffreddamento viene spinto fino al raggiungimento del punto di rugiada desiderato provocando una nuova condensazione di acqua e olio. Un filtro fine posto a valle dell’essiccatore completa il processo di depurazione.


Oleodinamica e PneumaticaEssiccatore a refrigerazione


Oleodinamica e PneumaticaSerbatoio aria compressa

Funzionesmorzare le variazioni di pressione prodotte dal compressore per garantire una pressione costante all’utenza;costituire una accumulo momentaneo di aria compressa per sopperire a richieste impreviste.



−

−=

minmax

cuc

c

u

ppQ/QQ

QQ

zTTpVs 11

1

21

VsT2

p1 T1

Qc Qu

pmax pmin

Dimensionamento del serbatoio con regolazione del compressore a due punti fondata sul livello di pressione dell’aria nel serbatoio


Oleodinamica e PneumaticaDistribuzione dell’aria compressa

La macchina e i La macchina e i dispositivi pneumatici dispositivi pneumatici sono alimentati sono alimentati direttamente da direttamente da piccoli compressori piccoli compressori oppure attraverso una oppure attraverso una rete di distribuzione rete di distribuzione dell’aria compressadell’aria compressa


Oleodinamica e PneumaticaDistribuzione dell’aria compressa

I diametri dei tubi devono essere scelti in modo da prevedere con un futuro ampliamento dell’impianto e l’incremento della portata richiesta, che la perdita di carico nelle tubazioni finoagli utilizzatori non superi mai il valore di 0.1 bar.Perdite di carico superiori abbassano sensibilmente il rendimento del sistema e fanno aumentare i costi.E’ pertanto opportuno in sede di progettazione prevedere tali possibilità dimensionando con larghezza le condutture perché l’adeguamento successivo della rete risulta sempre molto costoso.Quando si progetta e si dimensiona una rete di aria compressa sideve definire inizialmente il layout dell’impianto, individuando i punti di installazione delle utenze.


Oleodinamica e PneumaticaPer piccole installazioni le utenze sono alimentate dalle colonne montanti che fungono anche da tubo di distribuzione.

DISTRIBUZIONE IN LINEA



DISTRIBUZIONE AD ANELLO

DISTRIBUZIONEIN PARALLELO


Oleodinamica e PneumaticaLe reti di aria compressa più ampie prevedono:

a) le colonne montantib) tubi di distribuzionec) tubi di serviziod) raccordi per le utenze

Le colonne montanti trasportano l’aria compressa dalla centrale dei compressori fino all’area di utilizzo dove i tubi di distribuzione provvedono a ripartire l’aria fra le diverse zone da servire. I tubi di servizio convogliano infine l’aria dai tubi di distribuzione fino ai punti di lavoro dove opportuni raccordi permettono il collegamento delle utenze


Oleodinamica e PneumaticaDimensionamento della rete di aria compressa

Per avviare e mantenere un flusso di gas in una tubazione è necessaria una differenza di pressione per vincere la resistenzadi attrito delle pareti delle tubazioni, dei raccordi e delle valvole

∆p = f (L, D, ε, Re)La caduta di pressione è associata ad una perdita di energia e come tale comporta un costo operativo.Per il dimensionamento delle tubazioni si po’ usare la seguente relazione:

]bar[Dp

LQp.

51

851

λ=∆

]mm[D]bar[p]m[L]s/l[Q450 1=λ



Le perdite di carico ammesse sono:

tubi di esercizio ~ 0.03 bartubi di distribuzione ~ 0.05 barcolonne montanti ~ 0.02 barcaduta totale nei tubi fissi ~ 0.10 bar

Le lunghezze dei tubi vanno corrette commando le lunghezze equivalenti di valvole, raccordi, curve ecc.


Oleodinamica e PneumaticaLa tubazione possono essere di materiale diverso- rame - acciaio brunito - materiale plastico- ottone - acciaio zincato

- acciaio legato

Le giunzioni dei tubi per le installazioni permanenti sono saldate. Nei raccordi filettati si possono verificare le perdite d’aria.

Tubi in polietilene e poliammide sono impiegati per i circuiti delle macchine a comando pneumatico ed utilizzano attacchi rapidi semplici ed economici.


Oleodinamica e PneumaticaSimboli dell’unità di servizio


Oleodinamica e PneumaticaPrincipio di funzionamento


Oleodinamica e PneumaticaUnità di servizio: Filtro aria

compressa


Oleodinamica e PneumaticaUnità di servizio: Lubrificatore


Oleodinamica e PneumaticaUnità di servizio: Regolatore della pressione


Oleodinamica e PneumaticaCilindro a semplice effetto


Oleodinamica e PneumaticaCilindro a doppio effetto


Oleodinamica e PneumaticaCilindro a doppio effetto con frenatura


Oleodinamica e PneumaticaCilindro doppio


Oleodinamica e PneumaticaCilindro a stelo passante


Oleodinamica e PneumaticaCilindro a impatto


Oleodinamica e PneumaticaCilindro rotativo


Oleodinamica e PneumaticaSchema costruttivo di un cilindro con frenatura


Oleodinamica e PneumaticaGuarnizioni e tenute


Oleodinamica e PneumaticaMotori pneumatici

I motori pneumatici sono attuatori rotativi, leggeri e compatti in grado di fornire potenza uniforme e senza vibrazioni.

Caratteristiche:• Possono operare in modo continuo, con frequenti

inversioni del senso di rotazione e sopportare sovraccarichi senza subire danni;

• Non temono il calore, l’umidità e gli ambienti corrosivi e non sono pericolosi in atmosfera esplosiva;

• Avviamento ed arresto istantaneo;• Variazione progressiva della coppia e della velocità

• motori a pistoni (i più diffusi) 5-10 kW/dm3• motori a palette o a lamelle 50-75 kW/dm3


Oleodinamica e PneumaticaMotore a pistoni


Oleodinamica e PneumaticaMotore a palette


Oleodinamica e PneumaticaMotore a palette

• elevato rapporto potenza/peso idoneo per l’azionamento di utensili portatili (cacciaviti, gira-dadi, trapani, fresatrici, ecc);• semplicità costruttiva; • ridotta manutenzione; • velocità di rotazione proporzionale alla coppia

applicata;• raggiungimento della condizione di stallo senza

danni


Oleodinamica e PneumaticaCurve caratteristiche dei motori rotativi

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