Maintenance Stories

“Fatti di Manutenzione”

Kilometro Rosso - Bergamo – 13 novembre 2013

La manutenzione per ridurre i costi dell’aria

compressa ed incrementare l’efficienza degli

impianti

Guido Belforte

Politecnico di Torino

Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale

L’ARIA COMPRESSA NELL’INDUSTRIA

L’aria compressa rappresenta una sorgente energetica disponibile comunemente in quasi tutte le industrie;

I sistemi pneumatici costituiscono una tecnologia integrata nei sistemi automatici e meccatronici;

I sistemi operanti con aria compressa sono soggetti alle stesse problematiche di manutenzione di tutti gli altri dispositivi, e devono garantire efficienza ed affidabilità.

• Concorrenza di paesi ad elevato tasso di sviluppo industriale con bassi costi energetici

STRUTTURA DEI SISTEMI AD

ARIA COMPRESSA

L’impianto ad aria

compressa dal punto

di vista

dell’installazione

L’impianto ad aria compressa dal

punto di vista dei flussi di aria

L’IMPIANTO DELL’ARIA

COMPRESSA COME SISTEMA

INTEGRATO

• L’impianto dell’aria compressa, fino agli utilizzatori finali costituisce un unico sistema, in cui l’aria compressa viene prodotta, trasferita ed utilizzata .

• Le tre parti in cui si può ritenere suddiviso il sistema sono:

– Centrale di compressione;

– Linee di trasmissione;

– Circuiti e sistemi pneumatici di automazione.

• Troppo spesso le tre fasi sono progettate e gestite in modo indipendente tra loro (competenze diverse), senza una visione di insieme.

UNICITA’ DEL SISTEMA:

GENERAZIONE, TRASMISSIONE, USO • Elementi rilevanti per un corretto uso dell’aria compressa

• Gli aspetti energetici sono fondamentali, ma non sempre ne è chiaro il

collegamento e l’importanza

UTILIZZO

GENERAZIONE

TRASMISSIONE

POTENZA MOTORI ELETTRICI

CALORE COMPRESSIONE

FUGHE DI ARIA CADUTE DI

PRESSIONE

RENDIMENTI MECCANICI

CALORE DI ESPANSIONE FUGHE DI ARIA

ASPIRAZIONE D’ARIA

SCARICO D’ARIA

I COSTI DELL’ARIA COMPRESSA:

ELEMENTI DA CUI DIPENDONO

• Il costo dell’aria compressa varia in funzione

dei fattori che vengono considerati (solo

costo di generazione o costo di generazione,

manutenzione, costi di rete e perdite).

• Il costo dipende fortemente dalla pressione a

cui viene effettuata la produzione di aria

compressa.

• I costi sono influenzati dai rendimenti dei

compressori utilizzati; tra un compressore

efficiente e un compressore di vecchia

concezione il costo può cambiare fino a

cinque volte.

I COSTI DELL’ARIA COMPRESSA:

VALORI E CONDIZIONI

• I costi indicati si riferiscono alle seguenti condizioni: costo per

1 m3 di aria standard (1 bar, 20°C); costo industriale

dell’energia pari a 0,11-0,12 €/kWh.

• Costo indicativo di 1 m3 (ANR) a 6 bar = 0,025 €; costo a 10

bar = 0,033 €, compreso costo generazione, manutenzione

compresa rete, perdite.

• Costo indicativo di 1 m3 (ANR) per la sola generazione

(corrente elettrica e manutenzione ordinaria del

compressore) pari a 0.010-0,015 €.

LA POLITICA ENERGETICA NELLA

UE: OBIETTIVO 20-20-20

20% produzione energie alternative

20% risparmio energetico

20% riduzione gas serra rispetto al 99

Entro il 2020

Il maggior risparmio energetico è stato individuato in alcuni settori:

o Settore residenziale;

oTrasporti;

o Industria.

Il consumo di energia dell’industria incide per circa il 20% del

totale. L’aria compressa incide con percentuali medie del 10-20%

sul consumo industriale.

LA RICERCA PER

L’EFFICIENTAMENTO ENERGETICO

L’aumento dell’efficienza di

apparecchiature e impianti industriali

diventa una priorità per i prossimi

finanziamenti di ricerca dell’Unione

Europea.

In passato sono stati privilegiati temi

relativi ai beni strumentali, alla

robotica, ai trasporti, poi l’attenzione

si è spostata all’energia, con

attenzione crescente all’efficienza.

IL RUOLO DELLA ISO 50001:

Energy Management

La norma ISO 50001 è rivolta a realizzare un sistema efficace e

sistematico di gestione dell’energia, che consenta il continuo

monitoraggio e miglioramento delle prestazioni.

Si devono fissare obiettivi e sviluppare una politica per un uso

efficace dell’energia.

Bisogna definire criteri,

misurare i risultati e

migliorare in modo

continuo la gestione

energetica.

Politica energetica

Pianificazione

Implementazione Verifica

Revisione

MANUTENZIONE ED EFFICIENZA

ENERGETICA: UN CIRCOLO VIRTUOSO

• Una manutenzione efficiente è un fattore

fondamentale per mantenere un alto livello di

efficienza energetica.

• Negli impianti pneumatici la manutenzione

aiuta a mantenere l’efficacia dei filtri, a

garantire un buon uso delle tenute e degli

elementi striscianti, a ridurre imprevisti e

interventi.

• Un sistema con buona efficienza energetica è

un sistema intelligente che riduce interventi e

costi di manutenzione.

• Manutenzione ed efficienza energetica

producono un circolo virtuoso.

REQUISITI DEL SISTEMA PER

UNA BUONA EFFICIENZA

la generazione ed il trattamento dell’aria nella centrale di produzione deve avvenire in funzione delle esigenze del suo utilizzo (limitare la pressione se possibile);

la trasmissione dell’aria compressa deve avvenire nel modo più efficiente possibile (evitare perdite e limitare le cadute di pressione);

l’uso nei sistemi pneumatici deve avvenire con riguardo a condizioni di efficacia e di efficienza del macchinario.

L’USO SAPIENTE DELLA PRESSIONE

• Produrre aria compressa con il

minimo valore di pressione

strettamente necessario

(passando da 7 a 6 bar si

risparmia circa l’8%).

• Aspirare l’aria di ingresso al

compressore a temperatura bassa

(1% di risparmio ogni 3°C in

meno).

• Usare compressori efficienti e

curare la manutenzione.

Energia assorbita per produrre

1 dm3 di aria in funzione del

rapporto di compressione .

IL RECUPERO ENERGETICO NEI

COMPRESSORI

Il calore prodotto nei

compressori può essere

recuperato con adeguati

sistemi di scambio termico

per riscaldare l’aria

ambiente o acqua per uso

sanitario. Questo tipo di

recupero può portare a

recuperare oltre il 90%

dell’energia spesa nella

compressione.

Con il recupero energetico il

costo dell’aria compressa può

scendere fino a 0,015 €/m3.

L’EFFICIENZA NELLE LINEE DI

DISTRIBUZIONE

• La linee di distribuzione devono essere progettate, costruite e gestite con l’obiettivo di:

minimizzare le perdite di pressione, al fine di operare con la più bassa pressione di compressione possibile (valore consigliato 3% della pressione del compressore);

evitare le fughe di aria;

essere predisposte per future modifiche (reti modulari).

.

• A tal fine occorre:

usare diametri adeguati per le tubazioni;

minimizzare la lunghezza della rete ed usare reti ad anello;

evitare cambi bruschi di diametro;

usare tubi lisci;

isolare le parti di rete non usate, escludendole con valvole automatiche.

LA MANUTENZIONE NELLE LINEE

DI DISTRIBUZIONE • L’uso di tubazioni efficienti, realizzate con materiali che non

introducono elementi inquinanti nell’aria compressa, facilita la

manutenzione degli impianti.

• La predisposizione di un monitoraggio e di una manutenzione

attenta allo stato dei filtri presenti sulle linee garantisce

costantemente la qualità dell’aria richiesta.

• Il controllo periodico delle fughe evita inutili perdite e spese.

COSTO DELLE FUGHE

• Fori anche piccoli provocano

fughe significative

Portate teoriche con pressione

relativa in rete di 7 bar

• Con costo medio di 0.025 € /m3

(ANR), la fuga da un foro di 1

mm costa 0.112 € /ora, pari a €

224.00 su 2000 h di lavoro.

DIAMETRO

[mm]

PORTATA

[m3/h (ANR)]

1 4,5

3 40,5

5 112,4

7 220,2

• Per un funzionamento continuo (24 h/giorno, 315

giorni/anno, 7560 ore) il costo dell’aria persa da un foro di

1 mm è di € 846.72.

L’IMPORTANZA DI UNA RETE DI

DISTRIBUZIONE CORRETTA

L’importanza di una buona rete è collegata a:

• Eliminazione delle perdite, usando moderni sistemi di tenuta;

• Corretto dimensionamento dei diametri;

• Uso di reti ad anello;

• Uso di materiali a basso attrito.

IL CASO DS SMITH: UN ESEMPIO DI

«ENERGY SAVING»

Prima Dopo

Compressori n.2 da 57 kW

n.1 da 16 kW

n.2 da 57 kW

Rete Collettore 2"; rete 2½"

Struttura ad albero

Collettore 80mm (3"); rete

63mm (2½"). Anello chiuso

Portata media dm3/s (ANR) 208 140

Caduta di pressione bar 1 sala compressori;

2 in linea, punto peggiore.

0,22 (3% della pressione

dei compressori)

Consumo energia in 1 anno 1.057.600 840.700

Costo pagato in denaro € 87.700 69.720

Pressione relativa di lavoro dei compressori: 7,5 bar

VANTAGGI DELLA NUOVA SOLUZIONE

• Tra vecchia e nuova soluzione la portata misurata è diminuita

di 68 dm3/s pari a 244,8 m3/h; la riduzione è superiore al 30%;

• Il risparmio di energia spesa è di 216.900 kWh, con una

riduzione di circa il 20%;

• Il costo risparmiato è di

€ 17.980, con una

riduzione di circa il

20%.

EVOLUZIONI E TENDENZE NEL

SETTORE DELL’ARIA COMPRESSA

Sviluppo di reti di distribuzione intelligenti;

Esteso uso di materiali “nobili” per garantire aria

sempre pulita;

Incremento del recupero energetico e

miglioramento dell’efficienza.

Generazione separata dell’aria compressa su

specifici macchinari.

LE RETI INTELLIGENTI

• L’uso di sensori collocati sulle linee di distribuzione e nei punti

di utilizzo consente di monitorare gli impianti, controllandone il

funzionamento e aiutando la gestione della manutenzione.

• I sensori di pressione controllano che i sistemi operino con la

pressione corretta.

• Sensori di portata monitorano i flussi per verificarne

l’andamento nel tempo e intervenire nel caso di fughe

improvvise.

• Sensori differenziali controllano lo stato di efficienza dei filtri.

• L’insieme dei sensori può essere gestito da un unico sistema di

supervisione.

L’USO DI MATERIALI “ NOBILI”

• L’uso di materiali che garantiscano una distribuzione di

aria sempre pulita è una esigenza crescente, anche con

riferimento all’uso nei settori alimentare, farmaceutico,

elettronico, tessile, ecc.

• Tubazioni e impianti devono prevedere uno smontaggio

predisposto per il riciclaggio dei materiali a fine ciclo della

vita degli impianti.

EFFICIENTAMENTO ENERGETICO

NEI CIRCUITI PNEUMATICI • L’incremento dell’efficienza nei circuiti pneumatici passa

attraverso un corretto dimensionamento degli attuatori e una

attenta progettazione.

• Sistemi a recupero energetico potranno concorrere a ridurre i

consumi di aria compressa.

GENERAZIONE SEPARATA

DELL’ARIA COMPRESSA

Produrre aria compressa con

compressori dedicati a specifici

macchinari consente di garantire la

perfetta pulizia dell’aria richiesta,

affidando allo stesso costruttore del

macchinario la generazione dell’aria.

Le linee di distribuzione dell’aria

diventano elemento strutturale del

macchinario e serbatoi dello

stesso impianto.

RACCOMANDAZIONI

Compressore: ridurre il livello di pressione, effettuare

recuperi energetici;

Linee di distribuzione: ridurre le cadute di pressione,

eliminare le fughe, razionalizzare le linee, dimensionare in

modo corretto i tubi;

Circuiti pneumatici: dimensionare correttamente gli attuatori,

ridurre gli attriti, eliminare le fughe, usare sistemi di

risparmio e di recupero energetico, disattivare le

apparecchiature quando non lavorano.

Per tutti i sistemi: fare una manutenzione puntuale e costante,

monitorare i sistemi con adeguati sensori.

CONCLUSIONI

• La norma ISO 50001 “Energy Management” e la politica

energetica della UE richiedono una grande attenzione

all’efficientamento energetico di apparecchiature e impianti.

• Per una buona gestione l’intero sistema dell’aria compressa

(generazione, reti, utenti) vanno visti come un unico sistema

integrato.

• Il monitoraggio dei parametri delle reti dell’aria mediante “reti

intelligenti” aiuta il contenimento dei consumi energetici.

• La manutenzione può contribuire in modo determinante al buon

funzionamento e all’efficienza degli impianti pneumatici,

prevenendo fughe e mantenendo l’efficacia della apparecchiature.