Gli apparecchi per la compressione a pistoni sono compressori di tipo volumetrico dotati di un sistema con pistoni. Questo tipo di compressori è stato tra i primi a venire utilizzati nelle fabbriche e sono ora largamente diffusi sia negli impianti industriali e semi-industriali che per altri utilizzi di tipo pratico.
I compressori a pistoni eseguono la compressione di sostanze gassose e liquide, come oli, agenti refrigeranti e altro. L’utilizzo di questi compressori ricorre più spesso nei casi in cui sia necessario il raggiungimento di pressioni molto alte.
Gli elementi principali del compressore a pistoni sono il cilindro, il pistone e le valvole (di aspirazione e di mandata) che si trovano sul coperchio. La compressione della sostanza lavorata avviene attraverso il moto rototraslatorio del pistone, provocato dal meccanismo a biella e manovella di un albero a gomito.
I compressori a pistoni possono essere dotati di uno o più cilindri, collocati orizzontalmente, verticalmente, a V o a W, possono essere ad azione singola o doppia (se la compressione avviene da entrambe le parti del pistone) e si differenziano in base alla modalità di compressione (a una o a due fasi).
In questi apparecchi è prevista la regolazione automatica della resa con lo scopo di garantire un livello di pressione costante all’interno del condotto. La modalità di regolazione più semplice è il cambiamento della frequenza dei giri dell’albero.
I compressori a pistoni si distinguono per la grande quantità di tipi diversi presenti sul mercato e sono in grado di adattarsi alle più varie esigenze industriali. Si osservano molte situazioni nelle quali l’utilizzo di un compressore a pistoni è un’ottima scelta, come i casi in cui:
I vantaggi dei compressori a pistoni:
Gli svantaggi consistono in un basso livello di efficienza economica, nella più alta frequenza dei guasti e nella rumorosità.
Il principio di funzionamento dei compressori a pistoni è piuttosto semplice. Il modello classico dell’apparecchio è composto da un blocco centrale (realizzato in ghisa), un cilindro (con orientamento orizzontale, verticale o obliquo), un pistone e le valvole (di aspirazione e di mandata), che si trovano sul coperchio de cilindro.
Per trasmettere il moto rototraslatorio al pistone viene avviato il meccanismo a biella e manovella dell’albero a gomito. Il pistone assume quindi il moto rototraslatorio grazie al quale avviene la compressione dell’aria che è successivamente espulsa verso il gasdotto. Si veda lo schema di funzionamento del compressore a pistoni sottostante:
Normalmente un giro dell’albero a gomito provoca due movimenti avanti e indietro del pistone. In ogni caso durante un giro dell’albero si completa un ciclo completo di lavoro del compressore. Quando il pistone si muove indietro al suo posto nel cilindro si forma un vuoto e il vapore del refrigerante viene aspirato e introdotto nel cilindro. Quando il pistone si muove in avanti il vapore viene compresso e la pressione aumenta. La valvola di aspirazione si chiude e il vapore compresso viene spinto fuori attraverso la valvola di mandata. Dopodiché il movimento del pistone inverte di nuovo la direzione, la valvola di mandata si chiude e il compressore aspira nuovamente il vapore dall’evaporatore. Poi tutto il processo continua a ripetersi.
Lo spazio vuoto che si forma nella cavità del cilindro durante il movimento indietro del pistone causa un cambio di pressione che fa aprire la valvola di aspirazione così che l’aria entri nella cavità, dove avrà poi luogo la sua compressione. Quando il pistone raggiunge il punto massimo di movimento, corrispondente al massimo volume della cella di compressione, la valvola di aspirazione si chiude e immediatamente la pressione inizia ad aumentare.
Più è piccolo il volume della cella, più è alto il livello di pressione. Quando il limite massimo è raggiunto, si apre la valvola di mandata. L’aria compressa viene quindi espulsa dalla cella di compressione.
Per limitare l’usura delle pareti del cilindro e del pistone nel blocco del cilindro viene iniettato dell’olio, che causa un peggioramento della qualità dell’aria lavorata, in quanto questa conterrà delle particelle d’olio. Per questo, nel caso in cui sia necessario ottenere dell’aria purificata, nel condotto di mandata si installa un separatore che permette di eliminare le particelle oleose dall’aria.
Nelle fabbriche e nelle imprese industriali i compressori a pistoni vengono normalmente acquistati e installati non uno ad uno, ma in coppia. In questo modo, mentre un compressore è in regime operativo e svolge il suo compito industriale, il secondo fa da riserva o si trova in manutenzione.
I compressori a pistoni sono l’apparecchiatura più diffusa per la compressione dell’aria. Il loro principio di funzionamento consiste nella compressione di una particolare quantità d’aria all’interno di un cilindro da parte di un pistone in movimento. In alcuni apparecchi per la compressione si possono usare entrambe le parti del pistone (secondo il principio cosiddetto a doppia azione). I compressori con modalità a due fasi producono gas di alto livello e sono utilizzati attivamente nei processi di produzione dov’è tassativo rispettare in maniera ligia i parametri richiesti.
Le componenti principali di questi apparecchi sono il pistone, il cilindro, la camera di compressione, l’albero a gomiti, il meccanismo a biella e manovella, le valvole di aspirazione e di mandata e il meccanismo di azionamento (elettrico, a benzina o diesel).
La struttura dell’apparecchio è semplice, la riparazione e la sostituzione di pezzi di ricambio sono facilmente eseguibili. Rimane comunque necessario effettuare regolarmente i procedimenti di manutenzione.
A oggi sul mercato è disponibile una grande varietà di compressori a pistoni. Sono presenti numerosi modelli di compressori con modalità a una o più fasi, con aspirazione da uno o due lati, di tipo aperto o ermetico ecc. Molti compressori a pistoni necessitano di essere lubrificati con olii minerali, mentre altri non ne hanno bisogno. I modelli principali delle apparecchiature per la compressione a pistoni possono essere classificati secondo la modalità di trazione, il livello di pressione finale, il numero delle fasi di lavorazione e il tipo di esecuzione.
Distinguiamo quindi i seguenti tipi di compressore:
In base alla modalità di trazione distinguiamo i compressori:
Rispetto al livello di pressione finale i compressori a pistoni possono essere suddivisi in apparati a pressione bassa (da 5 a 12 bar), media (da 2 a 100 bar) e alta (da 0 a 1000 bar).
Per quanto riguarda il numero delle fasi di compressione questi macchinari si dividono in compressori a una, due o più fasi. Nel caso dei compressori a più fasi è importante non oltrepassare la temperatura massima consentita del gas (180°С) per evitare il rischio di infiammazione ed esplosione.
In base al tipo di esecuzione i compressori a pistoni possono essere stazionari (fissi) o mobili (trasportabili).
A seconda del posizionamento dei cilindri i compressori possono essere verticali, orizzontali o ad angolo.
Compressore ad azione singola | |
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![]() Posizionamento del pistone verticale |
![]() Posizionamento dei pistoni a V |
![]() Posizionamento dei pistoni a W |
![]() Pistonamento differenziale |
Compressore ad azione doppia (con dispositivo testacroce) | |
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![]() Posizionamento dei pistoni lineare |
![]() Pistoni a più fasi in posizione orizzontale |
![]() Posizionamento dei pistoni a L |
![]() Posizionamento dei pistoni a V |
![]() Posizionamento dei pistoni a W |
![]() Cilindri in posizione contrapposta |
Posizionamento ad angolo. In un unico compressore possono essere presenti contemporaneamente cilindri in posizione verticale e orizzontale: in quest’ultimo caso si parla di compressori rettangolari. Il posizionamento dei cilindri può quindi essere a V o a W
I compressori a V sono:
Posizionamento verticale. Nelle apparecchiature in cui i cilindri sono disposti in posizione verticale il numero dei cilindri dipende dall’area di utilizzo del compressore e dalla pressione in uscita. Sulla base in ghisa fusa sono fissati dei cilindri disposti su più linee, il cui numero dipende da quello delle braccia dell’albero a gomito collocate sui supporti alla base. Il numero di questi supporti è a sua volta determinato dalla lunghezza dell’albero a gomito e dalla distanza necessaria tra i cilindri. L’azionamento avviene tramite un motore elettrico e un giunto o una cinghia trapezoidale. Il volano è un semigiunto sull’albero. La puleggia è montata sulla parte frontale dell’albero.
Posizionamento orizzontale. Nelle apparecchiature per la compressione con posizionamento orizzontale dei cilindri, questi ultimi possono essere disposti sia da un lato che dall’altro dell’albero a gomito.
Cilindri contrapposti (posizionamento dei cilindri da entrambe le parti dell’albero a gomito). Sono presenti in compressori di medio e alto rendimento. I pistoni adottano un movimento l’uno verso l’altro. Caratteristiche di questi compressori sono l’alto livello di dinamicità e stabilità, la compattezza e il peso ridotto.
Grazie all’alta resa, i compressori con cilindri in posizione contrapposta vengono utilizzati più spesso degli altri. I macchinari di bassa e media resa hanno invece una struttura rettangolare e un posizionamento dei cilindri a V.
Prendiamo come esempio un compressore ad azione doppia con dispositivo testacroce e cilindri contrapposti. I pistoni si muovono in direzione opposta l’uno all’altro. La struttura è compatta, la velocità di esecuzione è alta, il montaggio è semplice grazie al comodo collocamento del macchinario tra i circuiti. Per il montaggio le diverse parti del compressore possono essere consegnate in grossi blocchi.
Qualsiasi tipo di compressore o di apparecchiatura per la compressione è destinato alla produzione di gas ad alta pressione. Il compressore a pistoni è caratterizzato da pistoni che effettuano un moto rototraslatorio all’interno di cilindri.
Nei paesi dell’ex URSS sono proprio questi compressori ad avere la preferenza tra i macchinari con un rendimento di < 100 m³/min.
Sono noti i compressori a pistoni dei seguenti tipi:
Compressori a pistoni coassiali
I compressori a pistoni coassiali si caratterizzano per la presenza di un giunto che collega l’albero a gomito al motore elettrico e che permette di evitare una perdita di potenza dovuta allo sfregamento. La struttura di questi compressori è piuttosto compatta.
Si distinguono diversi tipi in base alla modalità di lubrificazione. Un tipo di questi compressori non ha bisogno di lubrificazione e produce gas compresso privo di impurità oleose. È diffuso nell’industria alimentare, farmaceutica e in campo medico. Altri compressori coassiali, invece, vengono lubrificati tramite oli minerali, per cui hanno un lungo periodo di funzionamento. I compressori coassiali funzionano alternando intervalli lavorativi di 20 minuti a 40 minuti di pausa. La pressione è di 8 bar. La potenza del motore è di circa 2,25 kW, il rendimento è di circa 200 l/min. Tra i principali vantaggi di questi apparecchi si annoverano le dimensioni ridotte, la leggerezza, il costo relativamente basso.
Compressori non lubrificati
Questo tipo di compressori è utilizzabile per i sistemi nei quali la purezza del gas lavorato è una condizione fondamentale e pertanto non devono essere presenti impurità di carattere oleoso. È dotato di un motore della potenza di 1,1 kW e di un serbatoio di vario volume. I principali pregi del compressore non lubrificato sono i seguenti:
Il compressore non lubrificato si distingue da quello lubrificato in quanto il gas e il lubrificante sono completamente separati. Un sistema aggiuntivo di purificazione dell’aria rende possibile un’alta qualità del gas in uscita.
I compressori non lubrificati a loro volta si dividono nei seguenti tipi:
Compressori lubrificati con trazione diretta
Se questi compressori sono dotati di serbatoio, vi si possono conservare al massimo 100 l d’aria, mentre la potenza del motore è pari a circa 1,1-1,8 kW. Le risorse sono molto maggiori rispetto ai compressori non lubrificati. Inoltre gli apparecchi senza lubrificazione necessitano di manutenzione tecnica specifica. Uno svantaggio rappresentato dai compressori lubrificati è invece la presenza di emulsione oleosa nel gas in uscita che rende necessaria l’installazione aggiuntiva di un filtro. I compressori lubrificati con trazione diretta sono ampiamente utilizzati per la produzione di mobili, nel settore automobilistico e anche nei lavori di ristrutturazione delle facciate degli edifici.
Compressori lubrificati con trazione a cinghia
In questo caso il serbatoio, se presente, può contenere da 25 a 100 l d’aria. La potenza è di circa 1,5-15 kW. Grazie alla trazione a cinghia è possibile diminuire la frequenza dei giri del motore senza ridurre la resa. Questi compressori dispongono di due pistoni di diversa grandezza. Il primo pistone effettua una compressione parziale, mentre il secondo permette di raggiungere la pressione finale necessaria. Questo tipo di compressori viene utilizzato per lavorare una grande quantità d’aria. Il sistema di raffreddamento è affidabile e previene un eventuale surriscaldamento eccessivo del motore o la sua usura. In questo modo è possibile tenere il motore in continuo funzionamento.
Compressori a pistoni con trazione a cinghia
Nei compressori con trazione a cinghia, è appunto una cinghia a collegare l’albero a gomiti con il motore elettrico permettendo di raggiungere alti livelli di rendimento e una lunga durata di funzionamento dell’apparecchio. Questi compressori possono restare in funzione per diverse ore senza intervalli. Vengono impiegati soprattutto nel campo dell’edilizia, nelle officine per il montaggio di pneumatici, nelle carrozzerie. La potenza del motore è pari a circa 2,25 - 5,5 kW, il rendimento può raggiungere 500 l/min, la pressione i 16 bar e, in alcuni casi, anche i 30 bar. Uno dei maggiori vantaggi è la possibilità di realizzare i parametri richiesti per la compressione dell’aria.
Compressori con e senza dispositivo testacroce
Tra le diverse strutture che possono avere i compressori a pistoni vanno distinte quelle con e senza dispositivo testacroce.
Nei compressori senza dispositivo testacroce il movimento rotatorio iniziale genera il movimento traslatorio del pistone in modo diverso rispetto agli apparecchi con testacroce.
I fondamentali vantaggi dei compressori senza testacroce sono i seguenti:
È però presente anche un significativo svantaggio: si verifica una perdita di gas nel carter attraverso il pistone. Di conseguenza si forma una pressione nel carter e l’olio viene a contatto con il gas.
I compressori senza testacroce possono essere solo ad azione singola, cosa che non permette di usare il cilindro in modo massimamente efficace. Per questo i compressori di grande potenza e ad alta pressione hanno sempre il dispositivo testacroce, così come tutti i compressori con cilindri in posizione orizzontale.
Per completare la classificazione finora effettuata dividiamo i compressori a pistoni in gruppi in base alle seguenti caratteristiche:
1. Principio di funzionamento: compressori ad azione singola o doppia. Solo nel caso di un compressore a più fasi i cilindri sono in posizione differenziale;
2. Numero delle fasi di compressione. Il massimo numero di fasi nei compressori moderni è sette;
3. Numero dei cilindri: compressori con uno, due, tre o più cilindri;
4. Numero delle linee di disposizione dei cilindri: possono essere una, due o più;
5. Posizionamento dei cilindri: posizionamento dei cilindri ad angolo o a V;
6. Posizionamento contrapposto dei cilindri: apparecchi orizzontali dotati di pistoni il cui moto è contrapposto l’uno all’altro;
7. Modalità di raffreddamento: ad acqua o ad aria. Il raffreddamento ad acqua è caratteristico dei compressori ad alta resa;
8. Rendimento: compressori mini, compressori di basso, medio e alto rendimento;
9. Numero dei pistoni: compressori con uno, due, tre pistoni.
Ad oggi, i compressori a pistoni restano i più usati negli impianti di refrigerazione e sono ampiamente diffusi negli impianti per il condizionamento dell’aria.
Si distinguono inoltre i seguenti tipi di compressore a pistoni:
Vantaggi e svantaggi dei compressori a pistoni
Nei paesi dell’ex Unione Sovietica i compressori più richiesti sono quelli a pistoni con un rendimento entro i 100 m³/min. Il motivo consiste nei molti pregi di questo modello rispetto agli altri. Innanzitutto questi compressori si distinguono per l’efficienza economica, l’affidabilità, la semplicità della struttura e la facilità di esecuzione di eventuali riparazioni. I compressori a pistoni possono essere riavviati spesso o utilizzati con intervalli frequenti, sono adatti all’utilizzo in condizioni difficili (con alto livello di umidità, aria inquinata ecc.). Questi apparecchi possono operare la compressione di ogni tipo di gas (tra cui gas aggressivi, velenosi ed esplosivi) e rappresentano un’ottima scelta qualora sia necessario lavorare grandi quantità di gas.
Vantaggi:
Svantaggi:
Utilizzo dei compressori a pistoni
I compressori a pistoni sono regolarmente utilizzati sia in diversi settori professionali che per ottemperare a esigenze pratiche. Servono ad esempio per garantire il funzionamento di dispositivi pneumatici come i martelli pneumatici e gli aerografi, e usati per gonfiare le gomme delle automobili nelle officine.
Caratterizzati dalla semplicità della struttura, i compressori a pistoni sono a oggi il tipo di compressori più diffuso e grazie ai vantaggi che rappresentano sono utilizzati in molte sfere industriali, tra cui quella automobilistica, alimentare, chimica e altre.
Sono adatti per l’utilizzo con i dispositivi pneumatici che non richiedono una grande quantità di gas compresso al minuto. Sono insostituibili quando è necessario ottenere alti livelli di pressione nel gas lavorato. Sono utili quando devono essere effettuati frequenti intervalli e conseguenti riavvii dell’apparecchio in quanto sono resistenti a numerosi processi di accendimento e spegnimento. I compressori a pistoni si sono dimostrati ottimi anche in caso di cattive condizioni di lavoro (temperatura molto alta o molto bassa, presenza di polvere nell’ambiente). Sono i migliori per i camion cisterna trasportatori di materiali come il cemento e farine.
Dato che i parametri tecnici che caratterizzano i diversi tipi di compressori a pistoni si distinguono significativamente tra di loro, in questa sezione parleremo delle loro tre categorie principali: i compressori per l’utilizzo industriale, per la lavorazione dei gas e per l’utilizzo nei trasporti.
I macchinari per la compressione a utilizzo industriale raggiungono una pressione di 50 bar, con un rendimento di 350 m³/h, una potenza di 30 kW e una velocità di 500 giri/min. Sono ampiamente presenti nelle stazioni elettriche, nelle fonderie, nei sistemi idraulici, per scopi militari e per il riempimento di bombolette.
I compressori a pistoni utilizzati per la lavorazione dei gas si caratterizzano soprattutto per il rendimento e la potenza. Dalle dimensioni (piccole, medie o grandi) dipendono sia il rendimento, che varia quindi da 83 a 8098 nm³/h, che la potenza, da 30 a 600 kW.
Per quanto riguarda il settore dei trasporti, le caratteristiche più importanti sono la pressione, pari a circa 50 bar, il rendimento, intorno ai 37 m³, e la purezza dell’azoto, che arriva al 99%. La temperatura operativa è tra i -40ºС e i +40ºС.
La scelta del modello più adatto a ogni necessità avviene in considerazione della sfera di utilizzo, dello scopo e delle condizioni di lavoro.
I compressori a pistoni sono utilizzati attivamente in vari settori industriali e per altri scopi pratici.
I compressori a uso industriali sono presenti:
I compressori a pistoni facenti parte dei dispositivi pratici utilizzati quotidianamente, se appunto destinati all’uso frequente, hanno un’affidabilità non inferiore a quelli industriali dal prezzo molto più elevato. Sono utilizzati, ad esempio, per la verniciatura delle automobili e delle pareti, per la sabbiatura dei metalli ecc.
I compressori non lubrificati sono perfetti quando l’aria compressa deve rispondere ad alte esigenze di qualità. Sono quindi diffusi in campo medico per il riempimento delle bombole respiratorie, dove è necessario ottenere aria pulita senza alcune impurità (umidità, idrocarburi, olio).
Compressori e ventilatori
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