Nozioni di base sui compressori alternativi

Un compressore alternativo è una macchina a spostamento positivo che utilizza un pistone per comprimere un gas e fornirlo ad alta pressione.

Sono spesso alcuni dei sistemi più critici e costosi di un impianto di produzione e meritano un’attenzione speciale. Gasdotti di trasmissione, impianti petrolchimici, raffinerie e molte altre industrie dipendono tutti da questo tipo di apparecchiature.

A causa di molti fattori, tra cui, ma non solo, la qualità della specifica/progettazione iniziale, l’adeguatezza delle pratiche di manutenzione e i fattori operativi, gli impianti industriali possono aspettarsi costi del ciclo di vita e affidabilità molto diversi dalle loro installazioni.

Diversi compressori si trovano in quasi tutti gli impianti industriali. I tipi di gas compressi includono i seguenti:

• Aria per sistemi di aria compressa per utensili e strumenti

• Idrogeno, ossigeno, ecc. per processi chimici

• Frazioni di idrocarburi leggeri nella raffinazione

• Gas vari per stoccaggio o trasmissione

• Altre applicazioni

Ci sono due classificazioni principali di compressori industriali: flusso intermittente (spostamento positivo), compresi i tipi alternativi e rotativi; e flusso continuo, compresi i tipi a flusso centrifugo e assiale.

I compressori alternativi sono tipicamente usati dove sono richiesti alti rapporti di compressione (rapporto tra le pressioni di scarico e di aspirazione) per stadio senza alte portate, e il fluido di processo è relativamente secco.

I compressori per gas umidi tendono ad essere di tipo centrifugo. Le applicazioni ad alta portata e a basso rapporto di compressione sono meglio servite da compressori a flusso assiale. I tipi rotativi sono principalmente specificati nelle applicazioni dell’aria compressa, anche se altri tipi di compressori si trovano anche nel servizio dell’aria.

Progettazione di base

I componenti principali di un tipico sistema di compressore alternativo possono essere visti nelle figure 1 e 2. Va notato che l’autore non ha mai visto un’installazione “tipica” di un compressore, e riconosce l’esistenza di molte eccezioni.

I cilindri di compressione (Figura 1), conosciuti anche come stadi, di cui un particolare design può avere da uno a sei o più, forniscono il confinamento del gas di processo durante la compressione.

Un pistone è guidato in un’azione reciproca per comprimere il gas. I sistemi possono essere a singolo o doppio effetto. (Nel design a doppio effetto, la compressione avviene su entrambi i lati del pistone durante la corsa di avanzamento e di arretramento.)

Alcuni cilindri a doppio effetto in applicazioni ad alta pressione avranno uno stelo su entrambi i lati del pistone per fornire una superficie uguale e bilanciare i carichi. Le disposizioni dei cilindri in tandem aiutano a minimizzare i carichi dinamici posizionando i cilindri in coppia, collegati a un albero motore comune, in modo che i movimenti dei pistoni si oppongano l’uno all’altro.

La pressione del gas è sigillata e l’usura di componenti costosi è minimizzata attraverso l’uso rispettivamente di fasce elastiche e fasce cavaliere monouso. Questi sono formati da metalli relativamente morbidi rispetto alla metallurgia del pistone e del cilindro/liner o da materiali come il politetrafluoroetilene (PTFE).

Figura 2 A. Telaio HSE a due giri e carrello

Figura 2 B. Telaio HSE a due giri e carrello

La maggior parte dei progetti di attrezzature incorpora sistemi di lubrificazione a blocco, ad alimentazione forzata; tuttavia quando c’è tolleranza di processo zero per il riporto di olio, vengono impiegati progetti non lubrificati.

I cilindri per le applicazioni più grandi (il cutoff tipico è 300 hp) sono dotati di passaggi per il refrigerante per sistemi di raffreddamento a termosifone o a liquido circolante, mentre alcuni compressori più piccoli per la casa e il negozio sono in genere raffreddati ad aria. I cilindri per applicazioni di grandi dimensioni sono generalmente dotati di camicie sostituibili che vengono inserite a pressione nel foro, e possono includere un perno antirotazione.

Il gas di processo viene aspirato nel cilindro, compresso, contenuto e poi rilasciato da valvole meccaniche che in genere funzionano automaticamente tramite pressioni differenziali. A seconda del design del sistema, i cilindri possono avere una o più valvole di aspirazione e scarico.

Scaricatori e tasche di compensazione sono valvole speciali che controllano la percentuale di pieno carico portata dal compressore a una data velocità di rotazione del suo motore. Gli scaricatori manipolano l’azione delle valvole di aspirazione per permettere il riciclo del gas.

Le valvole delle tasche di compensazione alterano lo spazio della testa del cilindro (volume di compensazione). Possono essere a volume fisso o variabile. Questi dispositivi sono oltre lo scopo di questo articolo.

Il distanziatore (a volte chiamato doghouse) è un membro strutturale che collega il telaio del compressore al cilindro. La commistione di fluidi tra il cilindro e il distanziatore deve essere evitata. Gli anelli di tenuta contengono la pressione del gas all’interno del cilindro e impediscono all’olio di entrare nel cilindro pulendo l’olio dall’asta del pistone lungo la sua corsa.

Il distanziatore è in genere sfiatato in base al materiale più pericoloso nel sistema, che è spesso il gas compresso nel cilindro. Gli anelli di tenuta sono progettati per contenere il gas all’interno del cilindro, ma con l’alta pressione è possibile che parte del gas compresso fuoriesca dagli anelli di tenuta.

L’ingranaggio, alloggiato nel telaio del compressore (Figura 2), consiste nella testata e nella biella che collegano l’asta del pistone all’albero a gomiti, convertendo il suo moto rotatorio in un moto lineare alternativo.

L’albero a gomiti è dotato di contrappesi per bilanciare le forze dinamiche create dal movimento dei pistoni pesanti. È supportato all’interno del telaio del compressore da cuscinetti a strisciamento su diversi perni. Un volano è anche fornito per immagazzinare l’inerzia rotazionale e fornire un vantaggio meccanico per la rotazione manuale del gruppo.

Alcuni compressori lubrificano il loro telaio con una pompa dell’olio integrale, azionata dall’albero, mentre altri sono dotati di sistemi di lubrificazione più estesi, montati su pattini. Tutti i sistemi progettati correttamente prevedono non solo la circolazione dell’olio sulle superfici critiche dell’apparecchiatura, ma anche il controllo della temperatura del lubrificante, la filtrazione e una certa misura di strumentazione e ridondanza.

I gas di aspirazione sono generalmente passati attraverso filtri di aspirazione e separatori per rimuovere le particelle trascinate, l’umidità e il fluido di processo in fase liquida che potrebbero causare gravi danni alle valvole del compressore e ad altri componenti critici, e persino minacciare l’integrità del cilindro con conseguenze disastrose.

Il gas può anche essere preriscaldato per convogliare il gas di processo liquido nella fase vapore. Gli intercooler forniscono un’opportunità per la rimozione del calore dal gas di processo tra le fasi di compressione. (Questi scambiatori di calore possono far parte del sistema di raffreddamento dell’olio e/o dei cilindri del compressore, o possono essere collegati al sistema di raffreddamento dell’acqua dell’impianto.

Sul lato di scarico, i recipienti a pressione servono come smorzatori di pulsazioni, fornendo capacità al sistema per equalizzare le pulsazioni di flusso e pressione corrispondenti alle corse di compressione del pistone.

In genere, i compressori alternativi sono dispositivi a velocità relativamente bassa, e sono azionati direttamente o a cinghia da un motore elettrico, con o senza un regolatore di velocità variabile.

Spesso il motore è costruito per essere integrale al compressore, e l’albero motore e l’albero a gomiti del compressore sono un pezzo unico, eliminando la necessità di un accoppiamento. I riduttori di velocità del tipo a riduttore sono usati in varie installazioni.

A volte, anche se meno comunemente, sono azionati da turbine a vapore o da altre fonti di energia come il gas naturale o i motori diesel. Il design generale del sistema e il tipo di azionamento selezionato influenzano la lubrificazione di questi sistemi periferici.

Il ciclo termodinamico

La spiegazione di alcuni principi termodinamici di base è necessaria per comprendere la scienza dei compressori alternativi. La compressione avviene all’interno del cilindro come un ciclo in quattro parti che si verifica con ogni avanzamento e arretramento del pistone (due corse per ciclo).

Le quattro parti del ciclo sono compressione, scarico, espansione e aspirazione. Esse sono mostrate graficamente con la pressione contro il volume tracciata in quello che è conosciuto come un diagramma P-V (Figura 3).

Figura 3. Alla conclusione di un ciclo precedente, il pistone è completamente ritirato all’interno del cilindro a V1, il cui volume è riempito di gas di processo alle condizioni di aspirazione (pressione, P1 e temperatura, T1), e le valvole di aspirazione e scarico sono tutte chiuse.

Questo è rappresentato dal punto 1 (zero) nel diagramma P-V. Man mano che il pistone avanza, il volume all’interno del cilindro si riduce. Questo fa aumentare la pressione e la temperatura del gas fino a quando la pressione all’interno del cilindro raggiunge la pressione della testata di scarico. A questo punto, le valvole di scarico iniziano ad aprirsi, indicate sul diagramma con il punto 2.

Con l’apertura delle valvole di scarico, la pressione rimane fissa a P2 per il resto della corsa di avanzamento mentre il volume continua a diminuire per la parte di scarico del ciclo. Il pistone si ferma momentaneamente a V2 prima di invertire la direzione.

Nota che rimane un volume minimo, noto come volume di spazio libero. È lo spazio che rimane all’interno del cilindro quando il pistone si trova nella posizione più avanzata della sua corsa. Un certo volume minimo di spazio libero è necessario per evitare il contatto tra il pistone e la testa, e la manipolazione di questo volume è un parametro importante delle prestazioni del compressore. Il ciclo è ora al punto 3.

L’espansione avviene in seguito, quando il piccolo volume di gas nella tasca di compensazione viene espanso fino a una pressione leggermente inferiore a quella di aspirazione, facilitata dalla chiusura delle valvole di scarico e dalla ritirata del pistone. Questo è il punto 4.

Quando P1 è raggiunto, le valvole di aspirazione si aprono permettendo alla carica fresca di entrare nel cilindro per l’aspirazione e l’ultima fase del ciclo. Ancora una volta, la pressione è mantenuta costante mentre il volume è cambiato. Questo segna il ritorno al punto 1.

La comprensione di questo ciclo è la chiave per diagnosticare i problemi del compressore e per capire l’efficienza del compressore, i requisiti di potenza, il funzionamento delle valvole, ecc. Questa conoscenza può essere acquisita analizzando le informazioni di processo e monitorando l’effetto che questi elementi hanno sul ciclo.