Dall'industria automobilistica alla produzione alimentare, dal settore farmaceutico all'elettronica, l'aria compressa è un elemento imprescindibile. Come ottenere una buona aria compressa? La risposta non è semplice, poiché la qualità dell'aria dipende da molte variabili.
L'aria atmosferica contiene inquinanti che, se non vengono opportunamente trattati, rimangono all'interno degli impianti che si occupano della produzione di aria compressa.
Spesso la qualità dell'aria viene data per scontata senza pensare che in molti processi può rappresentare una problematica molto seria. Infatti, in moltissime industrie l'aria compressa è una fonte di energia essenziale, spesso definita la quarta risorsa (dopo acqua, elettricità e gas). Ma a differenza delle altre risorse, che vengono fornite da aziende esterne nel rispetto di tolleranze e specifiche di qualità rigorose, l'aria compressa viene generata direttamente nell'industria dove viene utilizzata.
Quando in azienda è richiesta dell'aria compressa, è fondamentale poter contare sempre su caratteristiche di purezza adeguate, poiché a seconda dell'applicazione potrebbero venire compromesse la qualità dei prodotti o la sicurezza del processo. Il sistema ad aria compressa deve, quindi, essere affidabile ed efficiente. È bene sottolineare che non tutte le fonti di contaminazione sono esterne; infatti, altre vengono aggiunte persino durante le diverse fasi del processo di produzione.
Dove si utilizza l'aria compressa?
Nove industrie su dieci utilizzano l'aria compressa. L'aria compressa funge da fonte di energia per utensili e macchinari, oltre che per soffiare con pistole di soffiaggio e ugelli e per generare lame d'aria che producono movimenti ed espulsioni.
Serve anche per pulire, spostare o raffreddare materiali: nell'industria elettronica, ad esempio, viene utilizzata per trasportare i componenti, per azionare le valvole e per la pulizia dei circuiti stampati.
Nel settore automobilistico viene utilizzata per migliorare la velocità e l'affidabilità di tagli e saldature, per vaporizzare e spruzzare la vernice sui componenti e i rivestimenti delle autovetture, nelle linee robotizzate. Quando si esegue la sabbiatura o la smerigliatura, l'aria compressa viene utilizzata come "elemento propulsivo" per la sabbia.
Nell'industria della plastica e del packaging è utilizzata nella formatura e soffiaggio degli oggetti e nei sistemi di imballaggio e confezionamento.
È utile, inoltre, per il trasporto delle materie prime dalle aree di stoccaggio, per il riempimento degli stampi e per l'espulsione dei pezzi, per creare il vuoto, per il confezionamento e la pallettizzazione delle merci.
Non importa quale sia la sua funzione: che sia utilizzata per azionare degli attuatori o per il confezionamento della merce, o persino che venga a contatto diretto con il prodotti finito, per mantenere una produzione efficiente ed economica è essenziale poter contare su aria compressa pulita, deumidificata e affidabile.
Come viene contaminata l'aria?
Sono diversi i modi attraverso i quali i contaminanti (come particelle, oli, germi e umidità) penetrano nell'aria compressa.
La qualità dell'aria dipende da molte variabili:
- l'aria in ingresso nel compressore;
- le applicazioni di fine linea;
- i requisiti del processo e dell'industria;
- la posizione delle unità di filtrazione.
Spesso i contaminanti sono già presenti nell'aria ambientale, al quale viene aspirata dal compressore; per effetto della compressione, risultano ancor più concentrati nell'aria in uscita. La causa della contaminazione può dipendere da innumerevoli fattori, come una strada trafficata o un cantiere vicino allo stabilimento produttivo o altri processi svolti in loco. Inoltre, la quantità di umidità presente nell'aria ambiente può formare condensa nel sistema d'aria compressa.
L'importanza dell'aria compressa di qualità
Quando si ha a che fare con l'aria compressa, sono tante le considerazioni da fare poiché un trattamento inadeguato dell'aria può creare diverse problematiche. La contaminazione da un lato porta a un rischio per la qualità del prodotto finale e, dall'altro, diverse conseguenze ai processi e agli impianti.
Ad esempio, è possibile incorrere in maggiori costi di manutenzione per via della sostituzione di componenti e in malfunzionamenti operativi dovuti al blocco o al congelamento di valvole, cilindri, motori ad aria.
Inoltre, può ridurre la vita utile dei componenti o danneggiare le attrezzature di produzione. In aggiunta, la contaminazione dell'aria compressa può comportare costi energetici più elevati, inefficienza dei processi produttivi e maggiori costi di produzione.
In un'industria alimentare, un impianto di aria compressa non trattato può costituire un fattore di rischio per i prodotti destinati al consumo per la presenza di contaminanti.
3 cose da sapere sul trattamento dell'aria
Anche se quasi tutte le fabbriche hanno sistemi di trattamento dell'aria per proteggere le attrezzature pneumatiche, è fondamentale sapere quanto deve essere pretrattata l'aria compressa.
Un impianto ad aria compressa può includere le impurità presenti nell'atmosfera, ma anche calcare, olio liquido o nebulizzato, acqua condensata o nebulizzata, microrganismi.
Per una pneumatica efficiente è necessario prendere in considerazione tre fattori:
1 - Polvere e altre particelle trasportate dall'aria
L'aria compressa in uscita dalla sala compressori, che è già passata attraverso un filtro, contiene ancora particelle. Se la qualità dell'aria è insufficiente può rovinare anche gli attuatori più performanti e di elevata qualità costruttiva in pochi mesi. Inoltre, potrebbe danneggiare i componenti più sensibili come i sensori di flusso. L'aria compressa - se non trattata - contiene livelli variabili di particelle in grado di influenzare i processi di produzione. Questo comporta la generazione di depositi di particelle che portano a un aumento dell'attrito, ad esempio, tra la canna del cilindro e la guarnizione del pistone.
2 - Gocce d'acqua e potenziale di condensazione
La presenza di condensa o gocce d'acqua può generare la corrosione di alcuni componenti e le particelle di ruggine possono causare a loro volta danni meccanici o bloccare piccole sezioni di flusso. L'umidità può, inoltre, portare a un rigonfiamento delle guarnizioni con conseguente attrito aggiuntivo negli attuatori.
Ma le problematiche che potrebbero verificarsi sono numerose e variegate, ad esempio:
- aderenza e qualità della finitura nel caso di verniciatura a spruzzo da applicare a componenti e prodotti
- viscosità e consistenza del materiale delle bottiglie di PET realizzate per soffiaggio
- incollaggio/sigillatura di scatole di cartone
- miscelazione e integrità dei composti farmaceutici
- contaminazione da lavorazione degli alimenti a causa della proliferazione di microrganismi
- spurgo o raffreddamento dell'aria
- pulizia negli stabilimenti di produzione
3 - Trascinamento di nebbie d'olio o odore da compressore
Questa problematica comporta il raggruppamento delle particelle, che a sua volta porta all'otturazione di sezioni trasversali. Inoltre, l'olio può far gonfiare alcuni elastomeri delle guarnizioni.
Come si compone un impianto di aria compressa
Ecco quali sono i principali componenti di un impianto ad aria compressa industriale:
- il compressore
- il serbatoio di accumulo
- l'essiccatore
- la filtrazione
- la rete di distribuzione
Il compressore permette di comprimere l'aria ambiente fino a una pressione tale da soddisfare le utenze.
Come spiega il termine stesso, al serbatoio di accumulo è delegato il compito di raccogliere e accumulare l'aria compressa prodotta dal compressore per poi renderla disponibile su richiesta degli impianti.
L'essiccatore è indispensabile per proteggere l'impianto di distribuzione e le utenze dall'umidità, poiché elimina il vapore acqueo presente nell'aria compressa.
La filtrazione è necessaria per non immettere nella rete di distribuzione olio, particelle e impurità.
La rete di distribuzione, infine, permette di distribuire l'aria compressa generata e trattata nei vari punti di utilizzo.
Come trattare l'aria compressa
Da tutto questo si evince quanto sia fondamentale il trattamento dell'aria compressa nei moderni impianti produttivi. Deve garantire prestazioni e affidabilità, oltre a un equilibrio tra qualità dell'aria e costi di esercizio.
Lo scopo è renderla idonea alle apparecchiature pneumatiche che dovrà alimentare eliminando le impurità con una adeguata filtrazione, riducendo e stabilizzando la pressione.
Ma come trattare l'aria compressa? Quali sono le tecnologie a disposizione? Innanzitutto, è necessario analizzare la tipologia di impurità e quali contaminanti sono presenti per capire quali apparecchiature installare.
I filtri
Normalmente non si tratta di un unico filtro, ma di un sistema composto da più componenti che assolvono a funzioni diverse. Esistono, infatti, sistemi di filtrazione specifici per i vari contaminanti e si possono realizzare dei gruppi composti da più elementi di filtrazione con le diverse caratteristiche.
È noto che l'aria contiene vapore acqueo, particelle solide e vapori di olio provenienti dal compressore.
Il compito del filtro, nelle utenze, è quello di completare l'opera di pulizia dell'aria iniziata all'atto della produzione con i filtri di aspirazione e quelli di linea che hanno effettuato la prima azione di filtraggio.
Per una filtrazione migliore rispetto ai filtri standard, entrano in gioco i filtri disoleatori che sono in grado di separare le particelle e i vapori d'olio dall'aria compressa in uscita dal compressore. Questo filtro è particolarmente utile quando il lubrificante pregiudica una lavorazione o un processo produttivo. I filtri disoleatori hanno cartucce con grado di filtrazione che può variare tra 0,1 ÷ 0,01 μm.
Per migliorare la rimozione dell'umidità è possibile aggiungere un filtro a membrana. Questa soluzione è necessaria nel caso in cui le tubature della fabbrica siano esposte a temperature ambientali inferiori al punto di rugiada raggiungibile con l'essicazione refrigerata.
I regolatori di pressione
La regolazione della pressione di alimentazione è effettuata da regolatori o filtri/regolatori. Essi forniscono una pressione impostata controllata con regolatori di precisione con un impatto ridotto sull'influenza della pressione di alimentazione.
Senza una regolazione locale, la pressione dell'aria di alimentazione del compressore potrebbe portare uno spreco in termini di efficienza energetica. Inoltre, potrebbe rivelarsi potenzialmente pericolosa per gli attuatori. In altre situazioni, una pressione eccessiva potrebbe danneggiare una specifica attrezzatura pneumatica decentrata.
Altri componenti
Per controllare il funzionamento è possibile utilizzare diversi componenti, quali:
- regolatori elettronici proporzionali (che permettono di controllare le pressioni impostate, utili per la riduzione della pressione in stand-by);
- flussostati d'aria con rilevamento della temperatura integrato (per stabilire i tassi di consumo "normali" e per attivare un allarme se queste condizioni cambiano, per esempio, in caso di perdite);
- valvole di scarico dell'aria monitorata (per i circuiti di sicurezza);
- rilevamento integrato della pressione (controlla se le pressioni sono troppo alte o basse) o controllo dell'avviamento progressivo di pressione (per prevenire problemi di avvio improvviso dell'attuatore).
Implementato il sistema di aria compressa, è necessario monitorarlo. Il monitoraggio delle condizioni può anche facilitare la pianificazione della manutenzione ordinaria per assicurare un funzionamento efficiente. I sensori di pressione e di flusso aiutano a identificare quando la manutenzione deve essere effettuata su un filtro, come la pulizia di quelli che rimuovono la polvere.
Essiccatori frigoriferi
Un essiccatore frigorifero raffredda ulteriormente l'aria compressa rimuovendo il calore al suo ingresso e abbassando il suo punto di rugiada fino a 3°C. Espelle poi la condensa attraverso uno scarico automatico. L'essiccatore, successivamente, riscalda nuovamente l'aria compressa essiccata a temperatura ambiente riciclando il calore precedentemente rimosso attraverso uno scambio di calore. Questo riscaldamento dell'aria compressa a una temperatura ambiente eliminerà la "sudorazione" sui tubi freddi quando si lavora in condizioni di fabbrica umide.
Separatori di condensa
Un'altra opzione da considerare sono i separatori di condensa che utilizzano tecniche di separazione meccanica per rimuovere l'acqua senza abbassare il punto di rugiada.
Qualora non fosse sufficiente, anche in questo caso è possibile aggiungere un filtro a membrana per ridurre il punto di rugiada nel punto di utilizzo.
Come rimuovere l'umidità
La misura - e la conseguente gestione - dell'umidità è fondamentale in molti processi industriali.
Nel mondo automotive, nella produzione alimentare, nel farmaceutico e nel chimico...persino nella produzione dell'acciaio l'umidità può causare danni, stop imprevisti e problemi sui prodotti finiti a causa della corrosione, del blocco nei tubi, dei guasti ai macchinari e dei rigonfiamenti delle guarnizioni che causano ulteriori frizioni. Inoltre, l'umidità può essere particolarmente dannosa per i processi sensibili all'acqua come la verniciatura a spruzzo.
Da questo punto di vista, uno dei parametri più importanti associati alla qualità dell'aria compressa è il punto di rugiada.
Cos'è il punto di rugiada?
Parlare di punto di rugiada significa parlare di vapore acqueo e di umidità. Anche se non la vediamo, l'aria contiene acqua in forma di vapore e la sua quantità è direttamente proporzionale alla sua temperatura.
Quando l'aria si raffredda, il vapore acqueo al suo interno si condensa e cambia da vapore a liquido, raggiungendo la temperatura in cui l'aria diventa satura; questa è chiamata il punto di rugiada.
Se la temperatura scende, l'umidità aggiuntiva acquisirà la forma di piccole goccioline o condensa. Esempi naturali di punto di rugiada atmosferico (ADP °C) possono essere osservati dove l'aria calda entra in contatto con superfici fredde.
Il termine punto di rugiada atmosferico è più pertinente alle condizioni metereologiche. Nelle installazioni di aria compressa e nei sistemi pneumatici, è più appropriato parlare di punto di rugiada in pressione.
Il punto di rugiada in pressione (PDP °C) è la temperatura alla quale si verifica la condensazione a una pressione elevata; in genere si usano 7 bar, poiché questa è la pressione più comune dell'impianto ad aria compressa.
Affrontare il punto di rugiada significa affrontare l'umidità. L'umidità appare quando lungo la linea di produzione c'è un calo di temperatura.
Come affrontare l'umidità
Una soluzione è quella di installare un essiccatore frigorifero d'aria in un punto dell'impianto ad aria compressa, normalmente dopo il compressore o il serbatoio dell'aria. Questa soluzione asciuga l'aria raffreddandola. L'aria compressa passa attraverso lo scambiatore di calore e la temperatura viene abbassata a 3°C con conseguente condensazione del vapore contenuto nell'aria. L'acqua viene rimossa attraverso lo scarico dell'essiccatore, assicurando così che l'aria che entra nel processo di produzione sia più secca.
Gestione ottimizzata del punto di rugiada
Quando c'è un'applicazione che richiede un punto di rugiada della pressione atmosferica molto più in basso (da -20 a -60°C), come quello richiesto per esempio nella produzione di semiconduttori, nella produzione farmaceutica o nell'imballaggio, è importante installare essiccatori a membrana per rimuovere l'umidità solo dove necessario. L'essiccatore d'aria a membrana utilizza fibre cave composte da una membrana macromolecolare che permette di separare l'acqua dall'aria.
Scegliere la soluzione di trattamento dell'aria compressa più adatta
La valutazione del livello accettabile di polvere, umidità e altri potenziali contaminanti è definita in base all'applicazione e alle problematiche che potrebbero verificarsi.
Una volta definiti i componenti necessari del circuito dell'aria compressa è fondamentale dimensionarli in base alle esigenze del flusso.
Chiaramente deve essere considerata la pressione dell'aria compressa per assicurare che tutti i componenti funzionino per la pressione richiesta nel sistema. Una pressione operativa ottimizzata aumenta l'efficienza energetica. L'efficienza viene aumentata facendo funzionare le attrezzature a pressioni più basse, riducendo così la quantità di aria compressa. Riducendo la pressione di esercizio è possibile anche ridurre la domanda del compressore e risparmiare sul consumo di energia elettrica.
È bene sottolineare che una filtrazione eccessiva non necessaria può aumentare le potenziali cadute di pressione, può rendere un sistema d'aria compressa meno efficiente e può portare a bollette energetiche elevate.
Applicazioni diverse richiedono un diverso livello di filtrazione e di trattamento dell'aria.
SMC offre una gamma completa di apparecchiature per il trattamento dell'aria per soddisfare i più alti livelli di qualità dell'aria attraverso la filtrazione multi-stadio: dalla rimozione delle particelle di base ai separatori di condensa, dai filtri a carbone attivo alla rimozione batterica.
