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Le soffianti per aria e per gas appartengono alla categoria dei macchinari a effetto soffiante, che si posiziona tra la categoria dei ventilatori e quella dei compressori. I confini esatti tra i compressori e le soffianti non sono stabiliti in maniera precisa, per cui gli apparecchi che producono una pressione tra 0,5 e 2 atmosfere possono essere considerati egualmente della prima o della seconda categoria.
Le soffianti possono anche essere definite come compressori a bassa pressione utilizzati per l’erogazione di aria o per la creazione dell’effetto vuoto. Le principali funzioni includono l’areazione delle piscine, degli stagni, degli impianti per la depurazione delle acque e il trasporto dei materiali pulvirulenti. Esistono diversi tipi di compressori che si differenziano in base alla potenza del flusso dell’aria e al principio di funzionamento, che ne determina l’area di utilizzo.
Tra i numerosi tipi di soffianti ricordiamo quelle rotative, a camme, le turbo-soffianti, che sono utilizzate nelle grandi imprese e complessi industriali ecc. Le soffianti sono ampliamente utilizzate per garantire il funzionamento degli strumenti pneumatici e sono necessariamente presenti nelle fabbriche e nelle industrie legate ai processi di fusione dei metalli.
Un'altra sfera di utilizzo delle soffianti è quella che riguarda sistemi di ventilazione, condizionamento e cappe. Nel campo delle costruzioni per garantire un condizionamento di qualità richiesta si utilizzano le soffianti per aria rotative a lamelle (non lubrificate). Grazie al fatto che queste soffianti non richiedono l’uso del lubrificante, l’aria erogata non ne è inquinata. Questo tipo di soffianti è inoltre indicato per il condizionamento dell’aria nell’industria medica e alimentare. Infine questi macchinari sono ampiamente utilizzati nei locali caldaie, nei processi di areazione degli impianti di depurazione dell’acqua, per l’erogazione dell’aria nei forni e per la pulizia delle apparecchiature per il filtraggio.
La classificazione più diffusa è quella basata sul principio di funzionamento delle soffianti e sulla loro esecuzione strutturale. Si distinguono quindi tre gruppi:
Le soffianti di tipo rotativo sono macchinari ad azione volumetrica, ma, a differenza di quelle a pistoni, la cella di compressione è formata grazie alla divisione dell’ambiente interno operata dalla carcassa e dalle parti della soffiante: i rotori o le lamelle posizionate sul rotore.
Le soffianti a pale assiali sono utili per l’erogazione di aria o gas in grande quantità, ma a pressione bassa. Come intuibile dal nome, la direzione di movimento coincide con l’asse della soffiante. Le pale, fissate a un mozzo e disposte a raggi, formano una ruota che ruotando produce l’energia necessaria a spostare il gas o l’aria lungo l’asse della soffiante.
Il funzionamento delle soffianti a pistoni invece è basato sui processi di aspirazione e di compressione dell’aria o del gas, che avvengono grazie al moto rototraslatorio del pistone e all’utilizzo di valvole unilaterali. L’erogazione dell’aria o del gas è irregolare per via delle fasi del movimento del pistone e la velocità risulta limitata a causa dell’inerzia.
Si tratta di soffianti di tipo rotativo in cui il rotore si trova all’interno della parte cilindrica della carcassa ed è disposto in base al suo asse in modo eccentrico. Il rotore è inoltre completo di lamelle che non sono fissate rigidamente, ma sono disposte secondo apposite scanalature sul rotore e hanno libertà di movimento. Durante il movimento di rotazione le lamelle si avvicinano alle pareti grazie alla forza centrifuga, dividendo così in porzioni di un determinato volume il gas in ingresso dalla valvola di aspirazione e spostandolo verso la valvola di mandata. In alcuni casi il movimento di pressione delle lamelle verso le pareti è dovuto a delle molle fissate sul rotore. Il volume delle porzioni di gas diminuisce nel corso del suo spostamento verso l’uscita, arrivando quindi ad avere una pressione più alta.
In questo tipo di soffiante le componenti che più si espongono al rischio di usura sono le lamelle, che però possono essere facilmente sostituite in caso di guasto. Inoltre le soffianti a lamelle non hanno bisogno di lubrificante e quindi non inquinano il gas o l’aria lavorati. Un ulteriore vantaggio è il flusso più regolare dell’erogazione del gas o dell’aria, ottenuto grazie all’alto numero di lamelle, che distingue le soffianti a lamelle da altri tipi di soffianti ad azione volumetrica.
In caso sia necessario ottenere un alto livello di pressione, possono essere usate le soffianti a doppia rotazione. I loro principali vantaggi sono la praticità, il basso livello di rumorosità, la lunga durata del servizio, la lievità della vibrazione e la relativa semplicità della struttura. L’unico svantaggio di queste soffianti è la bassa capacità energetica. Una corretta scelta del macchinario dovrà quindi basarsi non solo sulle caratteristiche del suo funzionamento ma anche sul livello di consumo energetico, in particolar modo se è necessario utilizzare la soffiante in modo costante e senza interruzioni.
Le soffianti a doppia rotazione dispongono al proprio interno di, appunto, due rotori che ruotano simultaneamente prelevando il gas dalla bocchetta di aspirazione per spostarlo verso la bocchetta di mandata. I rotori svolgono quindi il ruolo di pistoni rotanti. Quando il gas arriva alla bocchetta di mandata avviene un brusco (quasi adiabatico) aumento della pressione. La sincronizzazione dei due rotori in rotazione è effettuata tramite un ingranaggio dentato, per cui le soffianti di questo tipo sono spesso denominate “compressori a ingranaggio”. Questo sistema permette ai rotori di funzionare in modo simultaneo pur senza contatto diretto tra di essi: le pale dei rotori non si toccano e non toccano la carcassa del macchinario e conseguentemente non è necessario utilizzare il lubrificante. Hanno bisogno di essere lubrificati solo gli ingranaggi e i giunti, che però sono localizzati in una sezione separata evitando quindi la contaminazione del gas lavorato con sostanze oleose o particelle metalliche.
Perché l’apparecchio funzioni in modo efficace i rotori a pale e la carcassa devono essere eseguiti con una tolleranza il più possibile ridotta ed elementi il più possibile contigui per far sì che il gioco risulti minimo e il lavoro sia ottimale ed economico. L’osservanza dell’alto livello di precisione richiesto in fase di costruzione delle soffianti porta all’insorgere di un’elevata sensibilità dell’apparecchio agli aumenti di temperatura. Di conseguenza è categoricamente vietato utilizzare le soffianti di tipo rotativo in condizioni caratterizzate da temperatura superiore ai valori nominali o elevato numero di giri dell’albero. Una temperatura troppo alta può portare a un allargamento termico delle pale che a sua volta può provocare l’inceppamento del meccanismo.
La carcassa delle soffianti a rotazione doppia con alettature esterne ha una buona resa termica, aumentando il livello di affidabilità dell’apparecchio in generale. Inoltre le soffianti a doppia rotazione dispongono di un ampio spettro di regolarizzazione della produttività (con un convertitore di frequenza) e possono funzionare in modo stabile con tutti i livelli di pressione non superiori ai valori massimi consentiti. Questi apparecchi, chiamati anche, come si è detto, compressori a ingranaggio, si differenziano in base alla struttura, ai materiali di costruzione, alla presenza o meno di valvole inverse e al loro tipo, al tipo di trasmissione (a cinghia o a manicotto), al tipo dei giunti di connessione tra la cella di compressione e il blocco degli ingranaggi, alla categoria delle attrezzature antiesplosione.
Un fattore negativo da riscontrarsi nelle soffianti di tipo rotativo è la pulsazione del flusso dell’aria che causa delle vibrazioni che hanno un effetto deteriorante sugli elementi del meccanismo. Inoltre le vibrazioni aumentano il rumore prodotto dalla soffiante durante il suo funzionamento. Allo scopo di ridurre le vibrazioni si possono installare dei cuscinetti ammortizzatori e delle guaine fonoisolanti. Per ridurre l’effetto delle vibrazioni sulle linee del sistema di tubazione possono essere utilizzati elementi di compensazione.
Le soffianti a rotazione doppia prodotte al giorno d’oggi si dividono in due gruppi:
Il primo tipo è più semplice dal punto di vista della produzione e quindi più economico, ma le sue caratteristiche dal punto di vista del funzionamento sono di livello inferiore rispetto al secondo tipo. Le soffianti a tre pale detengono una serie di vantaggi legati alla maggiore efficienza e affidabilità. Le tre pale sono disposte secondo un angolo di 120° (a differenza delle soffianti a due pale, dove l’angolo è di 180°) e ne consegue una riduzione della forza dello spostamento laterale che persiste durante la compressione del gas, quindi è ridotto anche il rischio di contatto delle pale tra di loro e con le pareti della cella che potrebbe portare a un inceppamento dell’apparecchio. Grazie a ciò le soffianti a tre pale sono meno soggette a usura. Un'altra differenza importante tra questi due tipi di soffianti è che quella a due pale esegue quattro operazioni di compressione per un giro completo dei rotori, mentre quella a tre pale ne esegue sei. Il volume del gas lavorato dalla soffiante a tre pale è inferiore, ma grazie a una minor ampiezza delle pulsazioni la frequenza delle stesse è più alta e il flusso del gas erogato alla fine risulta pari a quello erogato dalla soffiante a due pale.
Le soffianti di questo tipo sono utilizzate con successo nell’industria chimica, per esempio per il trasporto del cloruro di idrogeno nella produzione di polistirene espanso. In questo caso le soffianti lavorano un gas attivo, quindi sono realizzate in acciaio inossidabile per contrastare l’effetto corrosivo del gas.
Le soffianti rotative sono inoltre utilizzate nelle centrali elettronucleari per pompare i gas negli apparati per la loro depurazione, oltre che durante la produzione dell’acciaio, per la rimozione del metano dalle miniere di carbone ecc. I gas lavorati dalle soffianti non devono essere contaminati da particelle metalliche e sospensioni liquide, non devono essere aggressivi rispetto ai materiali in cui è realizzata la soffiante e non devono presentare rischi di esplosione legati alla compressione.
Quando sono necessari grandi volumi di aria compressa con una prevalenza massima di 10 m, per esempio negli impianti di aerazione e in ambiti simili, vengono utilizzate le turbo-soffianti. Se la prevalenza è superiore, fino ai 30 m, si utilizzano turbo-soffianti ad azione multifase. Il principio di funzionamento di questi apparecchi è lo stesso che per le pompe centrifughe: l’aria viene compressa grazie alla forza centrifuga causata dal moto rotatorio di una ruota, dalla quale l’aria esce per inserirsi in un diffusore stazionario di forma circolare. Il diffusore, che insieme alle pale forma il blocco direzionale, serve per trasformare l’energia cinetica del flusso aereo in energia potenziale (prevalenza). In fase di aspirazione queste soffianti possono creare un vuoto tra i 10 e i 50 kPa, in certi casi fino ai 90 kPa, e possono quindi essere utilizzate come pompe per il vuoto (con un vuoto di basso livello).
Le turbo-soffianti si dividono tra quelle a una e a più fasi. Il tipo a una fase può gestire una prevalenza massima di 3-6 m, mentre quelle a più fasi creano una prevalenza fino a 30 m e dispongono di un massimo di 4 fasi. L’aspirazione più essere unilaterale o bilaterale. Generalmente le turbo-soffianti hanno una carcassa fusa in ghisa con un giunto di separazione assiale che è costituito da diverse sezioni formate da pareti divisorie (diaframmi). Il rotore, che è collocato all’interno della carcassa e compie un moto rotatorio, è formato da ruote fissate su un asse. L’asse del rotore ha una forma che si allarga a partire dalla parte finale fino al suo punto centrale e si appoggia a due o tre cuscinetti a sfera di sostegno, normalmente realizzati in acciaio al carbonio. Nelle turbo-soffianti è inoltre possibile aumentare la pressione mantenendo ridotte le dimensioni dell’apparecchio grazie all’aumento della frequenza dei giri del rotore, consentito dall’overdrive.
La forma delle ruote della turbo-soffiante è generalmente chiusa con le pale ripiegate all’indietro. Questa struttura garantisce un alto coefficiente di efficienza energetica (idraulica) e un’elevata stabilità durante il funzionamento. Per la realizzazione delle pale si utilizza l’acciaio al nichel, mentre i dischi sono in acciaio al cromo molibdeno o in uno dei tipi di acciaio al carbonio di più alta qualità.
Questi apparecchi vengono usati nell’aerazione (per esempio per la saturazione dell’acqua ad aria), nei sistemi di trasporto di sostanze friabili nell’industria alimentare, per la creazione di barriere ad aria calda, come compressori per i sistemi di depurazione, nei processi di asciugatura di contenitori, per la deumidificazione delle superfici prima della collocazione di coperture e anche nei macchinari per l’asciugatura per autolavaggi.
Le soffianti a canale laterale appartengono alla categoria delle soffianti ad azione dinamica. Mentre nelle soffianti ad azione centrifuga il gas viene spostato una volta sola dal centro in direzione radiale grazie alle pale della ruota, nelle soffianti a canale laterale il gas successivamente torna verso l’asse seguendo la parete interna del canale laterale e viene lavorato dalla ruota una seconda volta. La ruota agisce sul gas per due volte e conseguentemente l’energia cinetica trasmessa è superiore, aumentando quindi anche la pressione. Le soffianti a canale laterale sono in grado di funzionare in modo quasi totalmente silenzioso, hanno una forma compatta, un buon livello di affidabilità e sono semplici da utilizzare. Tuttavia, per quanto riguarda il coefficiente di efficienza energetica, sono seconde ai modelli a rotazione doppia e ad azione centrifuga e quindi se ne raccomanda l’utilizzo nei casi in cui il costo totale dell’energia elettrica non abbia un’importanza fondamentale.
Le modalità di utilizzo delle soffianti a canale laterale sono piuttosto varie e includono, tra le altre cose, i processi di aerazione negli impianti di depurazione, la fornitura di aria dei bruciatori, l’asciugatura di contenitori in vetro, le operazioni di lavorazione di prodotti alimentari. L’area di applicazione di queste soffianti arriva a comprendere le seguenti sfere:
La compressione del gas nelle soffianti a pistoni avviene grazie all’azione di un pistone. Il moto rototraslatorio del pistone generalmente è provocato da un meccanismo a biella e manovella, mentre la prima fonte di movimento è un asse di azionamento, collegato a quello del motore. Il controllo dello spostamento del gas è eseguito grazie ad apposite valvole. Il funzionamento di queste soffianti è scandito da cicli composti da diverse fasi. Durante la fase di aspirazione il pistone descrive un movimento all’indietro, per cui nella cella si forma un vuoto che provoca l’ingresso di una porzione di gas attraverso la valvola di aspirazione, mentre la valvola di mandata è chiusa. Durante la fase di compressione il pistone esegue invece un movimento in avanti e la valvola di aspirazione si chiude, il volume del gas viene ridotto e la valvola di mandata si apre.
Come per la gran maggioranza dei macchinari, il funzionamento delle soffianti è dovuto alla presenza di un motore, di tipo elettrico o altro, che trasforma l’energia ricavata dal carburante nell’energia del moto rotatorio e la trasmette all’asse della soffiante. La trasmissione del moto rotatorio può avvenire nei seguenti modi:
Le soffianti nelle quali la trasmissione avviene tramite un manicotto elastico possono avere le linee di aspirazione e mandata disposte orizzontalmente o verticalmente.
Le soffianti con trasmissione a cinghia utilizzano invece una cinghia con disposizione triangolare e tutti i suoi elementi sono collocati su una base metallica che ne facilita il trasporto e il conseguente collegamento dell’apparecchio ai circuiti.
Compressori e ventilatori
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