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the European Union 1 Introduzione - Teoria - Esercizi - Caso Studio - Conclusioni
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Sommario
Introduzione
Teoria Approccio (alcune osservazioni)
Componenti principali
Portata d’aria
Usi inappropriati
Perdite
Parametri che influenzano i consumi
Esercizi
Caso Studio
Conclusioni
Introduzione - Teoria - Esercizi - Caso Studio - Conclusioni
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• L’aria è gratis… ma l’aria compressa no!
• L’aria compressa comporta dei costi che
non vengono sempre presi in
considerazione
• L’efficienza
energetica di molti
impianti ad aria
compressa è bassa
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Costi dell’energia elettrica
Perdite
Manutenzione
Modifiche impiantistiche
Il costo dell’energia elettrica raggiunge il 73% dei costi totali durante
la vita di un sistema ad aria compressa.
CAUSA DEI COSTI ELEVATI
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Causa dei consumi eccessivi
Eccessi di consumi dovuti a problemi tecnici:
– Uso di motori elettrici vecchi e con bassa efficienza
– Sistema di distribuzione dell’aria non ottimali
– Elevate perdite
– Aspirazione di aria calda
Eccessi di consumi dovuti a problemi comportamentali:
– Uso di pressioni troppo alte
– Compressori azionati quando non necessario
– Usi impropri dell’aria compressa
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L’ottimizzazione dei sistemi
ad aria compressa
produrrebbe risparmi fino
al 35%
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Approccio (alcune osservazioni)
1. Identificare portata e pressione
necessarie alle macchine utilizzatrici
2. Localizzare correttamente ogni
macchina operatrice
3. Localizzare correttamente la sala
compressioni (o la posizione dei
compressori)
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COMPONENTI PRINCIPALI
1. Filtro di aspirazione
2. Compressore (motore +
pannello controllo)
3. Trattamento aria
(separatore dell’olio,
essiccatore, filtro)
4. Serbatoio di stoccaggio
5. Rete di distribuzione Fonte: Improving air system performance DoE - Energy Efficiency and Renewable Energy
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Portata d’aria
- usi inappropriati
- perdite
La portata d’aria ha un impatto diretto sui
consumi.
La portata dipende dalle richieste delle
macchine utilizzatrici.
Dunque, devono essere evitati:
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Usi inappropriati
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Trasporto a bassa pressione di polveri
Ventilazione
Mescolamento di liquidi
Pulizia
Rimozione di prodotti difettosi dalla linea
Soffiante
Braccio meccanico
Spazzole elettriche
Ventilatori; Soffianti
Agitatori meccanici
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PERDITE
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Se superiori al 5%, sono necessarie azioni correttive!!
Come valutare le perdite?
• Utilizzo di attrezzature specifiche
• Stima dei consumi
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Parametri che influenzano i
consumi
• L Lavoro
• M Portata massica di aria
• R Costante universale dei gas
• T1 Temperatura di aspirazione dell’aria (°K)
• β Rapporto fra pressione di compressione finale e iniziale
• m Esponente della trasformazione
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Scelta di un livello appropriato
L’aumento di 1 bar della pression di produzione dell’aria
comporta un aumento del 7% dell’energia consumata
Se il processo richiede due livelli di pressione è bene valutare l’istallazione di
due compressori, anziché di uno solo (piuttosto che utilizzare valvole di
laminazione per abbassare la pressione dal valore massimo al valore minimo
di utilizzo)
Parametri che influenzano i consumi Pressione massima
La pressione operativa di un compressore influenza direttamente il consumo di
potenza e il consumo di energia.
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• La caduta di pressione comporta aumento dei costi operativi
• L’adozione di piccoli diametri comporta bassi costi d’istallazione, maggiori
perdite e quindi maggiori costi operativi
La caduta di pressione di un impianto di distribuzione di aria compressa non
dovrebbe mai superare 0,1 bar
• La finitura superficiale dei tubi influenza le perdite di carico
Parametri che influenzano i consumi Cadute di pressione
La caduta di pressione del sistema di distribuzione di aria
compressa non dovrebbe mai superare 0,1 bar
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• Il minor consumo di energia si ha nel caso di trasformazione isotermica m=1
• Il consumo più alto si ha nel caso di trasformazione adiabatica m=1,4
Parametri che influenzano i consumi Tipi di trasformazione
Durante la compressione sarebbe bene avere una
trasformazione che si avvicina il più possibile a un isotermica
Il calore rimosso può essere valorizzato
• Solo il 10% dell’elettricità consumata di trasforma in energia utile per la
compressione dell’aria
• Il 90% dell’elettricità consumata è convertita in calore che deve essere
rimosso, ma che potrebbe essere riutilizzato (riscaldamento ambienti,
preriscaldamento aria di combustione, …)
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L’energia consumata in un compressore aumenta, all’aumentare della
temperatura dell’aria in ingresso:
• La temperatura dell’aria in ingresso deve essere la più bassa possibile,
compatibilmente con le condizioni ambientali
• L’aria in aspirazione dovrebbe essere prelevata dall’esterno, piuttosto che da
un altro locale
• La presa di aspirazione del compressore dovrebbe essere orientata a nord, in
posizione protetta
Parametri che influenzano i consumi Temperatura in aspirazione
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La qualità dell’aria dipende dalle impurezze contenute:
• Particolato
• Acqua (espressa in temperatura del punto di rugiada relativo alla
pressione di esercizio)
• Olio (misura)
• Materiale con cui è realizzata la rete di distribuzione
Parametri che influenzano i consumi Qualità dell’aria
La qualità dell’aria deve essere adattata ai fabbisogni dell’utenza
di consumo
La qualità dell’aria ha un costo elevato
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L’acqua di origina dal vapore contenuto nell’atmosfera. La rimozione dell’acqua
può essere realizzata con:
- Un impianto frigorifero centralizzato
- Delle trappole a vapore locali
La refrigerazione è più efficiente, ma più costosa, dal punto di vista dell’esercizio.
Le trappole a vapore hanno basso costo d’istallazione, ma richiedono
manutenzione frequente, ma non portano perdite d’aria.
Parametri che influenzano i consumi Qualità dell’aria
Il particolato può essere rimosso dai filtri d’ingresso
L’olio può essere rimosso dai filtri o alla sorgente, usando compressori privi d’olio
Le due soluzioni potrebbero essere valutate in funzione dei differenti costi
L’adozione di compressori oil free comporta un aumento dei costo
d’installazione
L’adozione di filtri comporta un aumento dei costi di manutenzione
I filtri devono essere manutenzionati periodicamente
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1. Start – stop (potenza 5-10 kW)
2. Running load - idling - stop (power> 10 kW)
3. Controllo di velocità del motore
I sistemi di regolazione sono influenzati da:
• Sovradimensionamento del compressore
• Controllo di velocità del compressore
• Presenza di serbatoi di accumulo
Parametri che influenzano i consumi Sistemi di regolazione
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• Vanno incontro alla domanda di aria compressa
• Permettono una maggior stabilità del livello di pressione della rete
• Riducono gli «avviamenti-arresti» del motore
• Consentono un sottodimensionamento del compressore rispetto alla richiesta di punta
• Si può valutare l’opzione di installare dei serbatoi ausiliari vicino a utenze isolate e/o ad
alta intermittenza
Dimensionamento del serbatoio di accumulo
• La dimensione del serbatoio dipende dall’ampiezza delle oscillazioni del fabbisogno d’aria
La dimensione dovrebbe essere almeno 10 volte il volume di aria prodotta dal
compressore (l/s)
• La dimensione del serbatoio è legata alle «dimensioni» del compressore
Parametri che influenzano i consumi Serbatoi di accumulo
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• Non sovradimensionare il compressore
• Serbatoio di accumulo
• Controllo nella velocità
• Tipo di compressore
• Motore ad alta efficienza
Parametri che influenzano i consumi Compressore e sistemi di controllo
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Acquisizione dei dati sul consumo di elettricità
• Posso fare misurazioni speciali? (Costi elevati, maggiore accuratezza)
• Posso i usare i dati disponibili? (Bassi costi, bassa precisione)
Parametri che influenzano i consumi Come maneggiare i sistemi ad aria a compressa
Valutare il costo dell’aria compressa
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RIDUZIONE DELLE PERDITE
Qual è l’effetto di un buco di 10 mm in
una rete di aria compressa (a 7 bar di
pressione)?
a.Fino a 10 kW di potenza persa
b.Fino a 40 kW di potenza persa
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BUCO (mm)
Portata a 7bar (l/s)
Potenza persa (kW)
1 1,2 0,4
3 11,1 4
5 31 10,8
10 124 43
RIDUZIONE DELLE PERDITE
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MOTORI AD ALTA EFFICIENZA
Quanto si può risparmiare
sostituendo un motore standard
con un motore ad alta efficienza?
a. Fino all’1% dei consumi
b. Fino al 5% dei consumi
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Potenza [kW]
MOTORI AD ALTA EFFICIENZA
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RIDUZIONE DELLE TEMPERATURA
DI INGRESSO DELL’ARIA
Quanta energia si può risparmiare
mediante abbassamento della
temperatura dell’aria in ingresso di
5°C?
a. Fino al 2%
b. Fino al 10%
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La letteratura tecnica riporta che una
riduzione di 5°C della temperatura
dell’aria in ingresso al compressore
(rispetto alla temperatura usuale)
permetterebbe risparmi del 2%
dell’energia consumata in un anno.
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DI INGRESSO DELL’ARIA
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Esempio pratico: Porsche
Descrizione:
Nel 1997, il sistema di produzione di aria compressa dello «Stabilimento 2» della
ditta F. Porsche vicino Stoccarda, era costituito da un compressore a vite,
raffreddato ad acqua (22,2 m3/min) più quattro compressori alternativi raffreddati
ad acqua da 15 m3/min ciascuno.
La massima pressione operativa era 8,7 bar.
Un’analisi del sistema ad aria compressa rilevò che la domanda di aria compressa
variava fra 15 e 65 m3/min. Processando tutti i dati rilevanti è stato definito un
nuovo sistema ad aria compressa con ottimizzazione dei consumi energetici.
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Azioni eseguite:
Il nuovo sistema prevedeva due stadi di compressione e l’adozione di soli
compressori a vite.
Il carico di picco veniva soddisfatto con tre compressori da 5,62 m3/min
ciascuno, mentre la domanda di base era assicurata da quattro compressori da
16,4 m3/min ciascuno.
Tutti e sette i compressori sono gestiti da un sistema centralizzato di controllo.
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Risultati
L’ottimizzazione del sistema ad aria compressa consentì di calcolare i costo
dell’energia e quantificarne i risparmi.
La pressione operativa fu abbassata da 8,5 a 7,5 bar e la potenza specifica di
ogni compressore fu ridotta da 8,19 a 6,19 kW/(m3/min).
I risparmi totali ammontavano a 483.000 kWh/anno.
Inoltre sono stati risparmiati circa 55.000 € per mancato consumo di acqua di
raffreddamento.
L’ottimizzazione del sistema ad aria compressa è stata realizzata con un tempo
di ritorno ragionevole.
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L’eccesso di energia consumata attraverso i sistemi ad aria
compressa è dovuta a ragioni tecniche e comportamentali.
L’ottimizzazione del sistema ad aria compressa può portare a
risparmi del 35% dell’energia consumata in un anno
La riduzione delle perdite può portare a risparmi del 20%
dell’energia consumata in un anno
L’adozione di motori ad alta efficienza può portare a risparmi del
5% dell’energia consumata in un anno
La riduzione di 5°C della temperatura dell’aria in ingresso al
compressore potrebbe permettere risparmi del 2% dell’energia
consumata in un anno
Conclusioni
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