Compressore di gas: definizione, funzionamento e confronto con la pompa

Ci sono molti tipi diversi di compressori a gas. Le due categorie principali sono:

• Compressori a spostamento positivo con due sottocategorie:
• Reciproco
• Rotary
• Compressori dinamici anche con due sottocategorie:
• Centrifuga
• Assiale

I tipi più importanti in ciascuna delle quattro sottocategorie sono discussi di seguito.

Compressori centrifughi

I compressori centrifughi usano un disco rotante o una girante a pale in un alloggiamento sagomato per forzare il gas verso il bordo della girante, aumentando la velocità del gas. Un diffusore (condotto divergente) converte l'energia di velocità in energia di pressione. Sono usati principalmente per il servizio continuo e stazionario in industrie come raffinerie di petrolio, impianti chimici e petrolchimici e impianti di lavorazione del gas naturale. La loro applicazione può essere da 100 hp (75 kW) a migliaia di cavalli. Con la messa in scena multipla, possono raggiungere pressioni di uscita estremamente elevate superiori a 10.000 psi (69 MPa).

Molte grandi operazioni di innevamento (come una stazione sciistica) usano questo tipo di compressore. Sono anche usati nei motori a combustione interna come sovralimentatori e turbocompressori. I compressori centrifughi sono utilizzati in piccoli motori a turbina a gas o come stadio finale di compressione di turbine a gas di medie dimensioni.

Compressori diagonali o a flusso misto

I compressori diagonali o a flusso misto sono simili ai compressori centrifughi, ma hanno una componente di velocità radiale e assiale all'uscita dal rotore. Il diffusore è spesso usato per trasformare il flusso diagonale in direzione assiale. Il compressore diagonale ha un diffusore di diametro inferiore rispetto al compressore centrifugo equivalente.

Compressori a flusso assiale

I compressori a flusso assiale usano una serie di pale del rotore rotanti a ventaglio per comprimere progressivamente il flusso di gas. Le palette stazionarie dello statore, situate a valle di ogni rotore, reindirizzano il flusso sulla serie successiva di pale del rotore. L'area del passaggio del gas diminuisce attraverso il compressore per mantenere un numero di Mach assiale approssimativamente costante. I compressori a flusso assiale sono normalmente usati in applicazioni ad alto flusso, come i motori di turbine a gas di medie e grandi dimensioni. Sono quasi sempre multistadio. Oltre il rapporto di pressione di progetto di circa 4:1, la geometria variabile è spesso usata per migliorare il funzionamento.

Compressori a pistoni

I compressori alternativi usano pistoni azionati da un albero a gomiti. Possono essere stazionari o portatili, possono essere a uno o più stadi e possono essere azionati da motori elettrici o a combustione interna. I piccoli compressori alternativi da 5 a 30 cavalli (hp) sono comunemente visti nelle applicazioni automobilistiche e sono tipicamente per il servizio intermittente. I compressori alternativi più grandi, fino a 1000 hp, si trovano ancora comunemente nelle grandi applicazioni industriali, ma il loro numero sta diminuendo perché sono sostituiti da vari altri tipi di compressori. Le pressioni di scarico possono variare dalla bassa pressione alla pressione molto alta (>5000 psi o 35 MPa). In certe applicazioni, come la compressione dell'aria, i compressori multistadio a doppio effetto sono considerati i compressori più efficienti disponibili, e sono tipicamente più grandi, più rumorosi e più costosi delle unità rotative comparabili.

Compressori a vite rotativi

I compressori a vite rotativi utilizzano due viti elicoidali rotanti a maglia a spostamento positivo per forzare il gas in uno spazio più piccolo. Questi sono di solito utilizzati per il funzionamento continuo in applicazioni commerciali e industriali e possono essere sia stazionari che portatili. La loro applicazione può essere da 3 hp (2,24 kW) a oltre 500 hp (375 kW) e da bassa pressione a pressione molto alta (>1200 psi o 8,3 MPa). Sono comunemente visti con le squadre di riparazione su strada per alimentare gli utensili ad aria. Questo tipo è anche usato per molti sovralimentatori di motori automobilistici perché è facilmente abbinabile alla capacità di induzione di un motore a pistoni.

Compressori scroll

Un compressore scroll, noto anche come pompa scroll e pompa a vuoto scroll, utilizza due palette a spirale intrecciate per pompare o comprimere fluidi come liquidi e gas. La geometria delle palette può essere involuta, a spirale archimedea o a curve ibride. Funzionano in modo più regolare, silenzioso e affidabile di altri tipi di compressori.

Spesso, uno dei rotoli è fisso, mentre l'altro orbita eccentricamente senza ruotare, intrappolando così e pompando o comprimendo tasche di fluido tra i rotoli.

Compressori a diaframma

Un compressore a diaframma (noto anche come compressore a membrana) è una variante del compressore alternativo convenzionale. La compressione del gas avviene tramite il movimento di una membrana flessibile, invece di un elemento di aspirazione. Il movimento avanti e indietro della membrana è guidato da un'asta e da un meccanismo di albero motore. Solo la membrana e la scatola del compressore entrano in contatto con il gas da comprimere.

I compressori a diaframma sono utilizzati per l'idrogeno e il gas naturale compresso (CNG), nonché in una serie di altre applicazioni.

Miscellanea

I compressori d'aria venduti e utilizzati dal grande pubblico sono spesso attaccati sopra un serbatoio per contenere l'aria pressurizzata. Sono disponibili compressori lubrificati a olio e senza olio. I compressori senza olio sono auspicabili perché senza un separatore adeguatamente progettato, l'olio può farsi strada nel flusso d'aria. Per alcuni scopi, per esempio come compressore d'aria per immersioni, anche un po' d'olio nel flusso d'aria può essere inaccettabile.

La legge di Charles dice che "quando un gas viene compresso, la temperatura aumenta". Ci sono tre possibili relazioni tra temperatura e pressione in un volume di gas sottoposto a compressione:

• Isotermico - il gas rimane a temperatura costante durante tutto il processo. In questo ciclo, l'energia interna viene rimossa dal sistema come calore alla stessa velocità con cui viene aggiunta dal lavoro meccanico di compressione. La compressione o l'espansione isotermica è favorita da una grande superficie di scambio di calore, un piccolo volume di gas, o una lunga scala temporale (cioè, un piccolo livello di potenza). Con i dispositivi pratici, la compressione isotermica non è solitamente raggiungibile. Per esempio, anche una pompa per pneumatici di bicicletta si scalda durante l'uso.
• Adiabatico - In questo processo non c'è trasferimento di calore da o verso il sistema, e tutto il lavoro fornito viene aggiunto all'energia interna del gas, con conseguente aumento di temperatura e pressione. L'aumento teorico della temperatura è T2 = T1-Rc^((k-1)/k)), con T1 e T2 in gradi Rankine o kelvin, e k = rapporto dei calori specifici (circa 1,4 per l'aria). L'aumento del rapporto tra aria e temperatura significa che la compressione non segue un semplice rapporto tra pressione e volume. Questo è meno efficiente, ma veloce. La compressione o l'espansione adiabatica è favorita da un buon isolamento, un grande volume di gas, o una scala temporale breve (cioè, un alto livello di potenza). In pratica ci sarà sempre una certa quantità di flusso di calore, poiché per realizzare un sistema adiabatico perfetto sarebbe necessario un perfetto isolamento termico di tutte le parti di una macchina.
• Politropico - Questo presuppone che il calore possa entrare o uscire dal sistema, e che il lavoro dell'albero in entrata possa apparire sia come aumento della pressione (di solito lavoro utile) che come aumento della temperatura al di sopra dell'adiabatico (di solito perdite dovute all'efficienza del ciclo). L'efficienza del ciclo è quindi il rapporto tra l'aumento di temperatura al 100% teorico (adiabatico) e quello effettivo (politropico).

Poiché la compressione genera calore, il gas compresso deve essere raffreddato tra gli stadi rendendo la compressione meno adiabatica e più isotermica. I raffreddatori interstadio causano la condensazione, il che significa che sono presenti separatori d'acqua con valvole di scarico. Il volano del compressore può azionare una ventola di raffreddamento.

Per esempio, in un tipico compressore subacqueo, l'aria viene compressa in tre stadi. Se ogni stadio ha un rapporto di compressione di 7 a 1, il compressore può produrre 343 volte la pressione atmosferica (7 x 7 x 7 = 343 atmosfere).

I compressori di gas sono utilizzati in varie applicazioni dove sono necessarie pressioni più elevate o volumi di gas inferiori:

• nel trasporto via pipeline di gas naturale purificato per spostare il gas dal sito di produzione al consumatore.
• nelle raffinerie di petrolio, negli impianti di lavorazione del gas naturale, negli impianti petrolchimici e chimici e in simili grandi impianti industriali per la compressione dei gas intermedi e finali.
• nelle apparecchiature di refrigerazione e di condizionamento dell'aria per spostare il calore da un posto all'altro nei cicli di refrigerazione: vedi Refrigerazione a compressione di vapore.
• nei sistemi di turbine a gas per comprimere l'aria di combustione in entrata
• nello stoccaggio di gas purificati o fabbricati in un piccolo volume, cilindri ad alta pressione per usi medici, di saldatura e altri.
• in molti vari processi industriali, di produzione e di costruzione per alimentare tutti i tipi di strumenti pneumatici.
• come mezzo per trasferire energia, ad esempio per alimentare apparecchiature pneumatiche.
• in aerei pressurizzati per fornire un'atmosfera respirabile di pressione superiore a quella ambientale.
• in alcuni tipi di motori a reazione (come i turbojet e i turbofan) per fornire l'aria necessaria alla combustione del carburante del motore. La potenza per azionare il compressore dell'aria di combustione proviene dalle turbine del jet stesso.
• nelle immersioni SCUBA, nell'ossigenoterapia iperbarica e in altri dispositivi di supporto vitale per immagazzinare gas respirabile in un piccolo volume come nelle bombole da immersione.
• nei sottomarini per immagazzinare aria per un uso successivo come galleggiamento.
• in turbocompressori e sovralimentatori per aumentare le prestazioni dei motori a combustione interna concentrando l'ossigeno.
• nel trasporto ferroviario e stradale pesante per fornire aria compressa per il funzionamento dei freni e di vari altri sistemi (porte, tergicristalli, controllo del motore e del cambio, ecc.)
• in usi diversi come la fornitura di aria compressa per il riempimento di pneumatici.

• Pneumatica
• Pompa
• Pompa ad aria