News di Maggio 2024 - Perdite di rete nei sistemi ad aria compressa

La valutazione dei consumi dei processi produttivi delle aziende tiene in considerazione anche le lavorazioni ausiliarie, che prevedono l’impiego dei principali vettori energetici per attività non direttamente finalizzate alla produzione. Tra le lavorazioni ausiliare si prendono in considerazione quelle che richiedono l’uso dell’aria compressa.

L’aria compressa è aria atmosferica che viene ridotta di volume (così da aumentarne conseguentemente la pressione) con un compressore, in seguito genericamente immagazzinata in un serbatoio e quindi utilizzata in molteplici impieghi del settore industriale e dei trasporti.

Tra quelli del settore industriale troviamo:

• azionamento di utensili e macchinari pneumatici (per esempio la pistola avvitatrice);
• gonfiare;
• soffiare;
• pulire;
• limare metalli.

Per quanto riguarda il settore dei trasporti:

• l’attuazione del sistema frenante;
• utilizzi legati all’utilizzo di aria compressa come porte automatiche o toilette.

I consumi legati alla produzione di aria compressa, soprattutto in ambito industriale, non sono quindi trascurabili.

I parametri principali di cui tener conto e da tenere sotto controllo in questo ti impianti sono principalmente quattro:

1. l’aria libera resa (meglio conosciuta come Free Air Delivery – FAD);
2. la potenza dell’albero motore;
3. il consumo specifico;
4. la potenza elettrica assorbita

Per quanto riguarda il layout, un impianto di produzione e di aria compressa include:

• un sistema di produzione costituito da compressori di varia tipologia e taglia;
• un sistema di accumulo per l’aria prodotta;
• un sistema adibito al trattamento;
• filtraggio e pulizia dell’aria;
• una rete di distribuzione alle utenze

In questo articolo tratteremo nel dettaglio quest’ultima sezione e le perdite associate ad essa, con possibili soluzioni in un’ottica di diagnosi e conseguente efficientamento energetico di questa tipologia di impianto.

La rete di distribuzione è formata da tubature di plastica o metallo, che partono dal serbatoio e conducono ai regolatori di pressione e rubinetti a valvola dai quali si preleva con tubazioni flessibili per gli usi più diversi. Presso i serbatoi e i rubinetti di distribuzione è comune trovare manometri per il controllo della pressione e valvole di sicurezza.

Le tubazioni sopracitate sono caratterizzate da perdite di carico, ovvero cadute di pressione che rappresentano uno spreco di energie limitabile, ma non completamente eliminabile. Una rete correttamente dimensionata è caratterizzata da perdite di carico tra serbatoio e prese di utilizzazione intorno al 5-7 % della pressione di esercizio (intorno ai 0,1-0,3 bar).

L’incidenza media sui costi energetici industriali nell’ambito della fornitura di aria compressa, sono legati fondamentalmente al consumo di energia elettrica in fase di esercizio e pesa tra il 70 e l’80%, con la percentuale di incidenza che aumenta proporzionalmente alla taglia dei compressori. Il restante 30% circa è suddiviso tra investimento iniziale e manutenzione durante il ciclo di vita del macchinario. Tenendo conto delle condizioni medie degli impianti, spesso poco controllati e ottimizzati, è ipotizzabile un target ideale di risparmio sui costi energetici intorno al 30-40%.

Il fabbisogno energetico per la produzione di aria compressa è proporzionale alla potenza, al tempo di funzionamento e al rendimento dei compressori. Per ridurre i fabbisogni quindi è possibile riconsiderare la taglia dei compressori, diminuire i tempi di accensione e incrementare il rendimento dei compressori. Per quanto riguarda la fornitura dell’aria compressa, è possibile intervenire in diversi ambiti ottimizzando la produzione con interventi in sala compressori (anche di recupero di calore), la rete di distribuzione e l’utilizzo.

Gli interventi sono specifici dei diversi ambiti, per quanto riguarda gli interventi in sala compressori è necessario valutare: il rendimento dei compressori attuali e la loro eventuale sostituzione, con verifica della taglia ed eventuale possibilità di suddividere la produzione in più compressori qualora gli utilizzatori richiedano livelli di pressione diversi e portate significative, il secondo parametro da valutare è la temperatura di aspirazione dell’aria, al crescere della quale cresce il fabbisogno energetico, per ultima cosa è consigliabile valutare la possibilità di recuperare calore dal raffreddamento dei compressori e il suo possibile impiego.

Per quanto riguarda la rete di distribuzione, due sono i possibili interventi volti a ottimizzarne il funzionamento.

1. Il primo consiste nella progettazione, per cui si può implementare una riduzione dei percorsi e un dimensionamento delle tubazioni affinché siano ridotte le perdite di trasporto e quindi la potenza e la pressione di funzionamento richiesta ai compressori;
2. Il secondo invece, concerne la verifica e conseguente eliminazione delle perdite, date da potenziale presenza di fori o tenute non perfette.

Le perdite nella rete di distribuzione costituiscono un vero e proprio spreco di energia. È quindi necessario conoscerne l’entità, poiché un valore compreso tra 5 e il 7% è considerato fisiologico, mentre per valori superiori è il caso di rilevarne l’entità ed effettuare interventi di riparazione e manutenzione.

Per avere una stima delle perdite all’interno della rete di distribuzione, è possibile utilizzare apposite tabelle, in cui al diametro della tubatura utilizzata e alla pressione interna dell’aria trasportata viene correlata la perdita di portata di aria, di potenza ed infine una stima di quella economica (annuale) in base al costo dell’energia elettrica.

Il calcolo utilizzato per ottenere quest’ultimo risultato è il seguente:

Perdita di potenza*8760 ore/anno*costo elettricità 0,25 euro/kWh

I risultati ottenuti sono riportati nella tabella seguente in cui è stato ipotizzato una temperatura ambiente di 15 °C e un foro di coefficiente di scarico pari a 1:

Le pressioni indicate sono espresse in valori assoluti.

Per valutare le perdite è possibile fare ricorso in prima istanza ad una prova semplificata: prima di tutto devono essere disattivati tutti gli utilizzatori di aria compressa, poi si porta la rete alla pressione di esercizio e si lascia il compressore in grado di funzionare. Il compressore non si metterà in funzione se non ci sono perdite sul circuito, invece se ciò avverrà, vorrà dire che la rete presenta delle perdite. L’ammontare delle perdite, in percentuale, è pari al rapporto tra il tempo di funzionamento del compressore espresso in ore e il tempo di durata della prova espresso sempre in ore. Se il risultato è superiore all’8% si suggerisce una verifica della rete con apposita strumentazione, uno strumento di rilevazione delle fughe d’aria misura gli ultrasuoni generati da un flusso di aria compressa che fuoriesce anche da una piccola fessura presente sull’impianto di distribuzione. Le reti di distribuzione sotterranee o coibentate purtroppo non possono essere individuate attraverso questa metodologia.

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