1. Concetto di compressore d'aria
Un compressore d'aria è il componente principale di un sistema di alimentazione dell'aria. È un dispositivo che converte l'energia meccanica proveniente da un motore primo (solitamente un motore elettrico) in energia di pressione del gas, fungendo da generatore pneumatico per aria compressa.
Come tipo di macchina elettrica, un compressore riduce il volume del gas e aumenta la pressione, generando una certa quantità di energia cinetica che può essere utilizzata come energia meccanica o per altri scopi.
Di seguito è riportato lo schema schematico dell'impianto di aria compressa:
Avanti, Classificazione dei compressori d'aria
1. Classificazione per definizione:
1）Compressore d'aria volumetrico: riduce il volume del gas e aumenta la pressione del gas.
Converte l'energia meccanica in energia potenziale.
Compressore alternativo: il volume di lavoro cambia periodicamente, mentre la posizione spaziale rimane invariata.
Compressore rotativo: il volume di lavoro cambia periodicamente e la posizione spaziale cambia.
2）Compressore dinamico
Aumenta la velocità di movimento delle molecole di gas, convertendo l'energia cinetica delle molecole di gas in energia di pressione del gas, aumentando così la pressione del gas compresso.
Energia cinetica → Energia potenziale
Compressore centrifugo: è un tipo di compressore veloce. In questo dispositivo sono presenti una o più giranti rotanti (le pale sono solitamente sui lati) che accelerano il gas. Il flusso principale è radiale.
2. Classificazione in base alla pressione di scarico
1）Ventilatore: 0,01 ~ 0,1 MPa
2）Bassa pressione: 0,2 ~ 1,0 MPa
3）Pressione media: 1 ~ 10 MPa
4）Alta pressione: 10 ~ 100 MPa
5）Pressione ultraelevata: > 100 MPa
3. Classificazione per spostamento
Miniatura: ＜ 1 m³/min
Piccolo: 1 ~ 10 m³/min
Medio: 10 ～ 100 m³/min
Grande: ＞ 100 m³/min
4. Classificazione per metodo di raffreddamento
1）Raffreddato ad aria: utilizza l'aria come mezzo di raffreddamento e completa la circolazione dell'aria con la propria ventola di raffreddamento.
2）Raffreddato ad acqua: utilizza l'acqua come mezzo di raffreddamento, dotato di una torre di raffreddamento dedicata o di uno speciale sistema di circolazione dell'acqua di raffreddamento.
5. Classificazione per metodo di lubrificazione
1) Lubrificato ad olio
UN. Compressore a iniezione d'olio
B. Microcompressore d'olio
2）Lubrificazione senza olio
UN. Lubrificato ad acqua
B. Vite asciutta
C. Pistone senza olio
D. Centrifugo
3. Principio di funzionamento dei compressori d'aria
1. Compressore d'aria a pistone
Quando il pistone si sposta dal punto morto superiore al punto morto inferiore del cilindro, il volume all'interno del cilindro aumenta e la pressione diminuisce.
Quando la pressione all'interno del cilindro scende al di sotto della pressione atmosferica esterna, l'aria esterna apre la valvola di aspirazione contro la tensione della molla sotto la differenza di pressione ed entra nel cilindro (la valvola di scarico rimane chiusa).
Quando il pistone raggiunge il punto morto inferiore, il cilindro viene riempito d'aria e la sua pressione è uguale alla pressione atmosferica esterna. A causa del bilanciamento della pressione, la molla della valvola chiude la valvola di aspirazione, completando la corsa di aspirazione.
Quando il pistone si sposta verso l'alto dal punto morto inferiore al punto morto superiore, sia le valvole di aspirazione che quelle di scarico vengono chiuse e l'aria all'interno del cilindro viene compressa.
Con il movimento verso l'alto del pistone, il volume del cilindro diminuisce continuamente e la pressione dell'aria compressa aumenta sempre più. Questa è la corsa di compressione.
Quando la pressione del gas compresso supera la forza combinata della tensione della molla della valvola e della pressione nel tubo di scarico, la valvola di scarico si apre e l'aria compressa viene scaricata attraverso il tubo di scarico finché il pistone non raggiunge il punto morto superiore.
A questo punto, la maggior parte dell'aria compressa nel cilindro viene scaricata, la pressione diminuisce bruscamente e la valvola di scarico si chiude sotto la tensione della molla. Questa è la corsa di scarico.
Il pistone si sposta quindi nuovamente verso il basso, aspirando aria fresca e avviando il ciclo successivo.
Il compressore d'aria a pistone funziona in cicli ripetuti di aspirazione, compressione e scarico.
Nota: i compressori d'aria a pistoni nel mercato a bassa pressione vengono ora gradualmente sostituiti dai compressori d'aria a vite, quindi è necessaria solo una conoscenza di base.
I compressori d'aria a vite sono classificati in due tipologie:
compressori d'aria bivite e compressori d'aria monovite.
1) Principio di funzionamento e introduzione del compressore d'aria a doppia vite
Un compressore d'aria a doppia vite è costituito da una coppia di rotori (o viti) maschio e femmina paralleli e interconnessi che ruotano all'interno del cilindro.
Ciò crea variazioni periodiche di volume negli spazi tra le scanalature del rotore, in modo che l'aria venga continuamente convogliata assialmente dal lato di aspirazione al lato di scarico.
In questo modo vengono completati i processi di aspirazione, compressione e scarico del compressore d'aria a vite.
L'ingresso e l'uscita dell'aria si trovano alle estremità opposte del compressore.
Le scanalature del rotore femmina e i denti del rotore maschio vengono azionati in rotazione dal motore principale.
2) Principio di funzionamento e introduzione del compressore d'aria a vite singola
Un compressore d'aria monovite è caratterizzato da un solo rotore a vite.
In pratica, tuttavia, ha tre alberi rotanti: un rotore a vite e due ruote a stella (ingranaggi planetari) perpendicolari al rotore a vite. Essendo un membro della famiglia dei compressori d'aria a vite, il compressore d'aria monovite offre vantaggi simili a quelli del compressore d'aria bivite. Tuttavia, non è stato ampiamente adottato nell'industria a causa di diversi problemi tecnici difficili da risolvere.
UN. Molte parti mobili:
Il compressore d'aria monovite è dotato di tre alberi rotanti.
Inoltre, la rigidità del rotore a vite e delle ruote a stella (ingranaggi planetari) differisce notevolmente, portando a deformazioni irregolari durante il funzionamento. Ciò rende difficile garantire un ingranamento accurato, con conseguente bassa efficienza volumetrica. Nei compressori monovite disponibili in commercio, le ruote a stella sono realizzate con materiali non metallici con scarsa resistenza all'usura. Durante il funzionamento ad alta velocità, la forte usura aumenta le perdite interne, causando un calo significativo della portata dopo un periodo di utilizzo. In genere, dopo 3.000 - Dopo 4.000 ore di funzionamento, la portata diminuisce in media dal 5% al 10%. Pertanto, il compressore d'aria monovite ha un'efficienza economica molto scarsa nelle applicazioni industriali. Inoltre, la deformazione irregolare e la scarsa precisione di ingranamento riducono la stabilità meccanica dell'intera unità, portando a tassi di guasto elevati e tassi di manutenzione elevati, che ne limitano ulteriormente l'ambito di applicazione.
B. Il materiale delle ruote stellari (ingranaggi planetari) necessita di ulteriori miglioramenti.
Essendo uno dei componenti principali di un compressore monovite, le ruote a stella funzionano principalmente come guarnizioni. Se vengono utilizzate ruote a stella in acciaio, l'elevato coefficiente di dilatazione termica e il volume di espansione dell'acciaio richiedono uno spazio relativamente ampio tra le ruote a stella e la vite. Ciò non solo provoca perdite elevate e bassa efficienza, ma può anche facilmente causare grippaggi e guasti gravi. Se si adottano materiali compositi, i problemi di cui sopra possono essere evitati. Tuttavia, gli attuali materiali compositi hanno una bassa resistenza e una scarsa resistenza all'usura. Sotto la forza di taglio e l'attrito meccanico durante il funzionamento, si usurano rapidamente, portando a maggiori perdite interne e a una ridotta efficienza. Le riparazioni frequenti aumentano anche il carico di lavoro del personale addetto alla manutenzione e i costi di manutenzione. Trovare un materiale con elevata resistenza, bassa espansione ed elevata resistenza all'usura è diventato un altro grosso problema per i produttori. Tuttavia, dati gli attuali progressi nella scienza dei materiali, una soluzione fondamentale è improbabile a breve termine.
C. Il profilo della vite necessita di ulteriore ottimizzazione. A causa dei due problemi sopra menzionati e della mancanza di soluzioni efficaci nel prossimo futuro, la promozione dei compressori d'aria monovite è limitata. Pertanto, gli istituti di ricerca e i principali produttori di compressori d'aria non hanno investito molto nella ricerca dei profili monovite e non sono stati compiuti progressi significativi. Trovare il profilo della vite ottimale è un altro compito chiave prima della promozione su larga scala. Tuttavia, a causa delle scarse prospettive di mercato, i principali produttori non hanno investito sufficientemente, quindi è difficile un miglioramento fondamentale a breve termine.
In sintesi, dal punto di vista dell’attuale sviluppo tecnologico, i compressori d’aria bivite non sono solo tecnologicamente avanzati ma anche pienamente maturi nelle applicazioni pratiche.
3. Compressore centrifugo
In un compressore centrifugo la girante con pale ruota sull'albero del compressore.
Il gas che entra nella girante viene portato in rotazione dalle pale, ottenendo un aumento di energia cinetica (velocità) e pressione statica (pressione). Il gas lascia quindi la girante ed entra nel diffusore, dove la velocità del gas viene convertita in pressione, aumentando ulteriormente la pressione. Il gas compresso passa attraverso la curva e il canale di ritorno per entrare nella girante dello stadio successivo per un'ulteriore compressione fino al raggiungimento della pressione richiesta.
4. Compressore d'aria di tipo Vortex
Un compressore d'aria di tipo Vortex è costituito da due spirali con profili di equazione a doppia funzione: una spirale orbitante e una spirale fissa, che si intrecciano tra loro. Durante il processo di aspirazione, compressione e scarico, la spirale fissa è montata sul telaio, mentre la spirale orbitante è azionata da un albero eccentrico e limitata da un meccanismo antirotazione. Esegue un movimento orbitale con un piccolo raggio attorno al centro del cerchio base della spirale fissa. Il gas viene aspirato attraverso il filtro dell'aria alla periferia della spirale fissa. Mentre l'albero eccentrico ruota, il gas viene gradualmente compresso in diverse camere di compressione a forma di mezzaluna formate dall'ingranamento delle spirali orbitanti e fisse, e quindi scaricato continuamente attraverso il foro assiale nella parte centrale della spirale fissa.
5. Compressore d'aria a palette
Un rotore è installato eccentricamente nella camera di compressione. Sul rotore sono presenti da 4 a 6 palette che possono scorrere assialmente verso il centro del rotore. Sul fondo delle palette sono installate delle molle per mantenerle sempre in contatto con la camera.