3VOLUME

I compressori alternativi presentano sensibili ana-logie con le pompe a stantuffo, essendo macchinedestinate a funzionare a basso regime con portatepiccole o medie e pressioni di mandata elevatissi-me. Sono macchine corredate da valvole automati-che installate sull’aspirazione e sulla mandata perimpedire il parziale riflusso del fluido nel moto diritorno dell’organo mobile. A differenza delle pom-pe, che elaborano fluidi incomprimibili e conseguo-no alte pressioni con un’unica fase di compressione,i compressori per alte pressioni sono necessaria-mente del tipo a più stadi in quanto gli aeriformisubiscono l’influenza dello spazio nocivo che, fun-zionando come un cuscinetto elastico, ne impediscel’efflusso alla pressione voluta.

Un compressore alternativo è costituito essenzial-mente da un cilindro, entro il quale scorre a tenutauno stantuffo azionato, tramite un manovellismo,da una macchina motrice (figura A). I compressori,il cui impiego è estremamente vario, possono ela-borare i fluidi più svariati, aspirando sovente apressioni superiori a quella atmosferica, per cui lasola pressione di mandata non è sufficiente a quali-ficare il tipo e le prestazioni della macchina. Lagrandezza che lo caratterizza è il rapporto di com-pressione β = p2 / p1 (23.1) dove p2 è la pressione as-soluta di mandata e p1 di aspirazione.

Il ciclo teorico di funzionamento di un compressorealternativo ideale (senza perdite e senza spazio no-

civo fra la testa del cilindro e il cielo dello stantuf-fo) nel piano p − v, è composto da:

• un’aspirazione del fluido a pressione costante;

• una compressione del fluido contenuto nel cilin-dro secondo un’adiabatica;

• il fluido effluisce a pressione costante;

• una brusca caduta di pressione a volume costante.

Il ciclo ideale è identico a quello di Rankine, relati-vo ad una motrice a vapore ideale ma percorso insenso antiorario (il compressore assorbe lavoro,pari all’area del ciclo termico descritto). Nella pra-tica, l’adiabatica sarà una politropica tanto piùprossima all’isotermica quanto più efficace è il dis-positivo di raffreddamento (e minore sarà il lavoroassorbito dal compressore).

Il ciclo di un compressore reale differisce da quelloteorico a causa dello spazio nocivo. Il fluido com-presso non effluisce perciò integralmente nella tu-bazione, ma una parte di esso rimane racchiusa (ein pressione) nello spazio nocivo (ciclo teorico cor-retto figura B); all’inizio della corsa discendente,questa aliquota di fluido si espande secondo la cur-va 4 → 1’. La fase di aspirazione inizia con un certoritardo rispetto alla corsa discendente dello stantuf-fo, la quantità di fluido aspirato è minore e diminui-sce il rendimento volumetrico della macchina. Il ci-clo reale (figura C), rispetto a quello teorico, presen-

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CAPITOLO 23COMPRESSORI ALTERNATIVI

LEZI

ON

I

Sint

esi d

ei c

apito

li

Capitolo 23

regolatore all’aspirazione

sfiatocarter

indicatorelivello olio

valvoladi mandata

mandata

valvola diaspirazione

aspirazione

Figura A

p2

p1v

p

2

34

1 19

Figura B

p92 p2

p1 p91

p 4 3

192

v

Figura C

ta le stesse anomalie dei cicli delle motrici a vapore:

• la trasformazione 1 → 2 è più bassa perché la val-vola ad aspirazione non si apre fino a quando lapressione nell’interno del cilindro non è scesa aldisotto di quella esterna;

• la trasformazione 3 → 4 è più alta perché la val-vola relativa si apre solo quando la pressione in-terna supera quella di utilizzazione;

• l’inerzia al moto opposta dalle valvole produceun fenomeno oscillatorio smorzato (vertici 3 e 1’);

• la 2 → 3 è spostata a sinistra perché non è un’a-diabatica ma una politropica.

Il campo di impiego dei compressori alternativimonofasi si estende da 3 a 10 bar (pressione dimandata). Come per le pompe, esistono compresso-ri con cilindri a semplice effetto e compressori concilindri a doppio effetto per rendere meno pulsantel’efflusso del gas e aumentarne la portata.

L’azionamento avviene mediante motore elettricoche può essere direttamente accoppiato all’alberosolo se dotato di un modesto regime di rotazione(caratteristica delle macchine di media potenza). Igrandi compressori (o quelli rotativi) possono esse-re azionati da turbine a vapore o a gas. Una solu-zione particolare è data dai «motocompressori»realizzati con un’unica incastellatura entro la qualeruota un albero a gomiti sulle cui manovelle si pos-sono articolare sia le bielle degli stantuffi motori,sia quelle degli stantuffi compressori dando luogo asvariate realizzazioni.L’influenza negativa dello spazio nocivo cresce alcrescere di β fino ad annullare completamente l’ef-ficacia del compressore quando il rapporto suddet-to supera il valore 20 ÷ 25. La soluzione più comu-nemente adottata consiste nel frazionamento dellacompressione in diversi cilindri separati, in modoche ciascuno di essi debba realizzare un rapporto dicompressione inferiore a quello totale, e comunqueconciliabile con il valore del rendimento volumetri-co. Per un compressore avente i fasi:

(23.2)

dove pn indica la pressione finale e p1 quella inizia-le, ambedue misurate in valori assoluti. È bene os-servare che al crescere della pressione, diminuisce ilvolume specifico del fluido e di conseguenza il vo-lume del cilindro entro il quale esso deve essereracchiuso; ne segue che i cilindri dei compressoripolifasi hanno diametri sempre più piccoli, proce-dendo dall’aspirazione verso la mandata, ondemantenere inalterato il valore della corsa. I vantag-gi che compensano la complicazione costruttiva deicompressori polifasi sono: aumento del rendimentovolumetrico, riduzione della temperatura del fluidoalla mandata e del lavoro assorbito dalla macchina.

Le ultime due sono ottenute con il raffreddamentodel fluido fra uno stadio ed il successivo per ripor-tare la temperatura a un valore prossimo a quelloambiente. Il raffreddamento intermedio riduce ilvolume specifico consentendo un miglior sfrutta-mento della cilindrata e avvicina la curva dellacompressione all’isotermica in maniera tanto piùsensibile quanto maggiore è il numero degli stadi.

Il lavoro assorbito da un compressore ideale si puòcalcolare come somma dei lavori parziali (positivi onegativi) scambiati lungo le singole linee di trasforma-zione; il lavoro teorico totale (detto lavoro adiabatico)vale: lad = (u1 + p1 ⋅ v1) − (u2 + p2 ⋅ v2) (23.4) e dalla de-finizione di entalpia diviene lad = h1 − h2 (23.5) cioè illavoro assorbito nel ciclo teorico è funzione soltantodella differenza di entalpia posseduta dal fluido nellostato iniziale e finale; poiché nella compressione il flui-do si riscalda, sarà h1 < h2 e il lavoro risulta negativo(essendo energia assorbita dalla macchina). Un’altraespressione del lavoro adiabatico è lad = γ ⋅ l (23.6) nel-la quale con l indichiamo l’espressione del lavoro (perunità di massa di fluido) speso in una compressioneadiabatica, esprimibile da:

Nella pratica la compressione isotermica è sostitui-ta da una politropica ad esponente n fra 1 (isoter-mica) e 1,41 (adiabatica); il lavoro assorbito duran-te il ciclo è:

(23.9)

Moltiplicando la portata massica qm = ρ ⋅ qv, dove qv èla portata volumetrica di fluido aspirato e ρ la suadensità, per il lavoro unitario si ottiene la potenza:

a) Potenza adiabatica:

(23.10)

b) Potenza isotermica:

Pis = qm ⋅ p1 ⋅ v1 ⋅ ln (23.11)

c) Potenza politropica:

(23.12)

Se il compressore è del tipo a doppio effetto ed èpossibile rilevare direttamente il ciclo reale seguitodal fluido operante, valutata la pressione media in-

l =p1 ⋅v1γ−1

⋅p2p1

γ−1γ

1−

βi =pn

pi

i

p2

p1

n−1n

1−

lp =

nn−1

⋅ p1 ⋅v1 ⋅

p2p1

γ−1γ

1−

Pad = qm ⋅

γγ− 1

⋅ p1 ⋅v1 ⋅

p1�p2

p2p1

n−1n

1−

Pp = qm ⋅

nn− 1

⋅ p1 ⋅v1 ⋅

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CAPITOLO 23COMPRESSORI ALTERNATIVI3

VOLUME

LEZION

I

Sintesi dei capitoli

3VOLUME

dicata pmi, si può calcolare la potenza indicata Pi diogni cilindro: Pi = pmi ⋅ A ⋅ V dove A è l’area dellostantuffo e V = 2 ⋅ s ⋅ n/60 è la velocità media dellostantuffo che è funzione della corsa s e del numerodi giri al minuto n. Indicando con Pa la potenza as-sorbita dal compressore, con Pis la potenza isoter-mica e con qVt la portata teorica aspirata, si ha:

• il rendimento adiabatico �ηad = Pad /Pa;

• il rendimento isotermico ηis = Pis /Pa;

• il rendimento indicato ηi = Pis /Pi;

• il rendimento meccanico ηm = Pi /Pa;

• il rendimento volumetrico ηv = qV /qVt;

• il rendimento totale η = ηv ⋅ ηi ⋅ ηm (23.13).

Fissato un valore opportuno di ηad (o di ηis), è pos-sibile calcolare la potenza assorbita in funzione diquella adiabatica o di quella isotermica.

I compressori bifasi di piccola potenza sono moltospesso del tipo a «V» mentre per potenze superiorisi adotta il tipo ad «L» articolando le due bielle suun unico perno di manovella. Le macchine a trestadi si presentano sovente con disposizioni a «W»(per potenze basse) oppure in tandem (per potenzeelevate). Soluzioni caratteristiche delle macchinepolicilindriche di potenza elevata sono i tipi a cilin-dri contrapposti. I materiali adottati nella costru-zione dei compressori dipendono dalla pressione di

esercizio e dalla natura del fluido elaborato. Perquanto concerne i refrigeranti intermedi, essi sonoquasi sempre del tipo a fascio.

Le operazioni di avviamento di un compressoresono condizionate dal tipo di motrice e dal collega-mento fra le due macchine; in genere il compresso-re è azionato da un motore elettrico e sollevando levalvole di mandata si riduce al minimo la coppia dispunto. Durante la marcia a regime è sufficiente as-sicurarsi del corretto funzionamento dell’impiantodi lubrificazione e di raffreddamento, sia per i cilin-dri sia per la temperatura di uscita del fluido daivari refrigeranti intermedi; i rimanenti controlli ri-guardano i normali organi soggetti a strisciamentoreciproco. La regolazione dipende dal compressore:

• nei piccoli compressori per servizi di officina, il si-stema di regolazione è del tipo tutto o niente; se ilcompressore è azionato da una turbina a vapore oda un motore endotermico, si può regolare va-riando il regime di rotazione della motrice;

• per i grandi compressori, la portata si può regola-re: con una derivazione posta sulla tubazione dimandata (by-pass), con un by-pass parziale, limi-tando l’apertura della valvola di aspirazione, ridu-cendo l’aria inviata all’utilizzazione, escludendouna delle due camere esistenti nell’interno del ci-lindro, con spazi nocivi addizionali a volume co-stante o a volume variabile.

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