Compressore

Compressore è un dispositivo atto ad innalzare la pressione di un gas mediante l'impiego di energia meccanica. Nell'uso comune, si definisce ventilatore un compressore per aria a bassa o bassissima pressione (fino a 10 kPa); questi sono trattati in un articolo apposito. Sono compressori anche le pompe a vuoto, anche queste trattate in apposito articolo.

Il compressore si distingue in genere dalla pompa in quanto agisce su un fluido definito comprimibile, ossia per il quale valga, almeno approssimativamente, la legge dei gas perfetti (PV = kRT).

Nel seguito viene citato il rapporto di compressione. Questo è definito come rapporto tra la pressione assoluta di mandata e la pressione assoluta di ingresso, in unità coerenti. ed è quindi un numero puro, usualmente espresso in forma frazionaria (ad es. con 2 : 1 si intende un rapporto di compressione pari a 2).

Storia

L'invenzione del mantice è certamente antichissima, ed è probabilmente precedente a quella del forno fusorio - ossia risale all'età del rame. Il mantice è quindi la forma più antica di compressore (nel caso, d'aria) usata dall'uomo. Nel 1650 Otto von Guericke dimostrò, con la sfera di Magdeburgo, l'effetto della pressione atmosferica. Ciò fu permesso dalla sua precedente invenzione (1647) di una pompa a vuoto manuale a pistone. La compressione rimase argomento di laboratorio ancora per qualche tempo, finché la necessita di ventilazione delle miniere, che già nel XVII secolo avevano raggiunto profondità ragguardevoli, non creò la necessità di disporre di aria compressa da far circolare in tubazioni.

I compressori usati erano di tipo alternativo, particolarmente adatti ad essere mossi dai motori a vapore dell'epoca, sempre di tipo alternativo. I compressori alternativi sono rimasti nell'uso probabilmente come i più comuni, e in tempi più recenti sono stati affiancati da altri tipi, sia volumetrici che dinamici.

Tipi di compressore

Attualmente sono in uso diversi tipi di compressore, che si possono dividere in due grandi famiglie :

Compressori volumetrici nei quali entra nel compressore un volume di gas indipendente dalle condizioni di aspirazione e mandata.

Di questa famiglia fanno parte i compressori :

Alternativi
Ad anello liquido
Rotativi a palette
A lobi
A vite

Compressori dinamici, nei quali la compressione è fatta sfruttando l'energia cinetica impressa al gas da opportuni meccanismi.

Di questa famiglia fanno parte i compressori :

Centrifughi
Assiali

Compressori volumetrici

Hanno in genere la caratteristica (che può essere un vantaggio o uno svantaggio) di avere portata direttamente proporzionale alla velocità di rotazione e rapporto di compressione indipendente da questo.

Compressore alternativo

Sono certamente i più comuni, sia per uso civile che industriale. Anche nelle applicazioni di processo : in fondo, il motore a scoppio è un compressore alternativo dell'aria (o della miscela aria-benzina).

Di uso quasi universale nella compressione dell'aria (salvo che per altissime portate, dove si tende ad usare i compressori centrifughi multistadio) consentono dei rapporti di compressione di 7 : 1 - 9 : 1 per stadio; si possono quindi raggiungere pressioni di mandata particolarmente alte, come nella ricarica degli autorespiratori, in cui con 3 o 4 stadi si raggiungono pressioni di 250 bar e oltre. Non sono in genere adatti alla compressione di aria pulita, quale quella per uso medico o strumentale, a causa delle tracce di olio e metalli dovute rispettivamente alla lubrificazione dei cilindri ed allo sfregamento pistone-cilindro. Esistono tuttavia modelli detti a secco che non usano olio (ma hanno forti limitazioni sui rapporti di compressione e delicata manutenzione).

Compressori a palette e ad anello liquido

Fig. 3 : Compressore ad anello liquido

Fig. 4 : Compressore a palette

Pur di forma molto diversa, sfruttano lo stesso principio costruttivo (si vedano le figure 3 e 4). Un rotore di forma (generalmente) circolare ruota all'interno di una cavità, anch'essa a sezione circolare, avente asse parallelo a quello del rotore ma disassato. Si creano così camere a volume variabile, massimo lato aspirazione e minimo lato mandata, ottenendo così la compressione del gas. Il rapporto di compressione teorico è ovviamente V_a/V_m, dove V_a e V_m sono rispettivamente i volumi della camera lato aspirazione e lato mandata.

I due modelli differiscono per il sistema di tenuta. Mentre il rotore di un compressore ad anello liquido (figura 3) è concepito per mettere in rotazione un liquido che - essendo incompressibile - ha la sola funzione di garantire la tenuta del gas, il rotore del compressore a palette (figura 4) é, appunto, dotato di palette, radiali rispetto al rotore, che sono spinte da molle per mantenerle costantemente in contatto con le pareti della cavità, contro cui scivolano.

Come appare chiaro, il compressore a palette ha in linea di massima un minor consumo di energia, in quanto non deve mettere in rotazione un fluido relativamente pesante; viceversa, il compressore ad anello liquido ha un rendimento volumetrico molto maggiore grazie alla migliore tenuta assicurata dal liquido rispetto alle palette. D'altra parte, il compressore ad anello liquido può avere limitazioni dovute al liquido stesso, che potrebbe essere volatile.

Questi compressori hanno ampio impiego come pompe a vuoto, quelli ad anello liquido fino a 10 - 20 mbar assoluti, quelli a palette fino a 2 - 4 mbar assoluti. Come compressori, sono impiegati soprattutto i modelli ad anello liquido per gas che debbano essere mantenuti a temperature basse, sfruttando il riciclo di liquido. Uno stadio consente un rapporto di compressione di 2 : 1 - 3 : 1, e si possono quindi raggiungere rapporti di compressione combinati di 5 : 1 - 8 : 1 (é molto raro l'uso di più di due stadi).

Compressore a lobi

Fig. 5 : Compressore a lobi

Fig. 6 : Vista lato azionamento

Detti anche Roots dal nome della ditta che maggiormente li ha sviluppati. Due rotori opportunamente sagomati ad assi paralleli ruotano in sincronia in senso opposto creando camere progressive dalla bocca di aspirazione a quella di mandata. I rotori sono quasi sempre a due lobi, come in figura; ne esistono a tre lobi, ma di uso sporadico. Esistono anche modelli con numero diverso di lobi, normalmente 2 e 3, configurazione che consente la riduzione dell'ingombro radiale.

Questi compressori sono di impiego abbastanza diffuso, per applicazioni varie. Sono di questo tipo ad esempio i compressori volumetrici usati nei motori a ciclo Otto sovralimentati, come anche le soffianti usate nell'ossigenazione dell'acqua; hanno anche usi di processo, come ad esempio nella compressione del vapore negli evaporatori a ricompressione meccanica. Sono usati a volte come primo stadio (booster) nei sistemi di generazione del vuoto spinto (meno di 0,01 mbar assoluti).

Consentono rapporti di compressione di 2 : 1, raramente superiori (e per questa ragione sono anche detti soffianti). Di costruzione assai semplice, senza parti in sfregamento, sono macchine robuste e di lunga durata.

Compressore a vite

Nel compressore a vite, due viti a passo inverso e di diametro differente imboccano l'una sull'altra, in modo da creare una cavità che progressivamente si sposta dalla zona di aspirazione a quella di mandata, comprimendo così il gas. Rispetto ai compressori alternativi hanno il vantaggio di una meccanica più semplice - il moto è continuo - e quindi minori sollecitazioni meccaniche. Si possono ottenere rapporti di compressione minori, ma comunque elevati (3 : 1 - 4 : 1), ed è comunque possibile porre più stadi in serie. Il rendimento meccanico è superiore agli alternativi, e quindi per applicazioni medio-grandi sono preferibili a questi ultimi.

Compressori dinamici

Compressore centrifugo

Originariamente limitati alle grandi portate e basse prevalenze, si sono sempre più affermati per il loro alto rendimento, bassa rumorosità. Di concezione simile alle pompe centrifughe, ruotano evidentemente a velocità assai più alte - ovvio, se si considera che i gas hanno massa specifica pari a circa 1/1000 di quella dei liquidi. Le velocità di rotazione sono quindi dell'ordine delle migliaia di rad/s.

Fig. 8 : Triangolo delle velocità in un compressore centrifugo

Il principio di funzionamento è riportato in figura 8 ; la velocità (vettoriale) periferica V_p può essere considerata scomposta in una componente V_t tangenziale alla paletta ed in una componente radiale V_r. Queste due velocità, o le relative quantità di moto, definiscono portata e prevalenza del compressore centrifugo.

Molto usati nelle applicazioni di processo e per applicazioni in cui si voglia evitare ogni contaminazione del gas pompato con fluidi o solidi - non richiede infatti lubrificazione lato gas, in quanto gli alberi sono a sbalzo, come del resto nelle pompe centrifughe - consentono bassi rapporti di compressione per stadio (1.8 : 1 fino a 2 : 1). Per mantenere questi rapporti di compressione, le velocità in uscita dalla girante sono dell'ordine di mach 1, e di conseguenza questi compressori funzionano vicino a quello che viene definito limite di pompaggio. Per comprendere ciò, si consideri che a mach 1 la portata attraverso una sezione non dipende più dalla differenza di pressione tra monte e valle di tale sezione, ma solo dall'area della stessa. Quando la velocità sonica viene raggiunta in uscita dalla girante, quindi, non è più possibile modulare la portata del compressore. Si crea quindi una zona di pressione elevata nella girante stessa, e il gas riduce quindi il proprio volume specifico; si scende quindi al disotto della velocità sonica e si consente il passaggio del gas, fin o quando (dopo centesimi o decimi di secondo) le condizioni ipersoniche si ripresentano. Si ha allora una serie di onde di pressione pericolose per l'integrità meccanica del compressore (e evidentemente deleterie per le prestazioni), specie se si stabilisce qualche risonanza con elementi meccanici strutturali. Queste macchine sono quindi protette contro questa evenienza, normalmente prevedendo un riciclo da mandata ad aspirazione in modo da ridurre la prevalenza a parità di portata.

Questi compressori sono usati anche nelle turbine a gas, proprio per le loro caratteristiche di alta portata e bassa prevalenza. Date le loro caratteristiche di ingombro essenzialmente radiale, non sono particolarmente adatti ai motori per uso aeronautico, per il quale sono stati utilizzati solo occasionalmente, essendo preferibili i compressori assiali (vedi sotto); sono invece usati nelle installazioni fisse, come ad esempio nei turbogeneratori.

Compressore assiale

Fig. 10 : Triangolo delle velocità in un compressore assiale

Il profilo dinamico di un compressore centrifugo può essere riportato dal piano perpendicolare all'asse di rotazione a quello parallelo allo stesso. Si ha allora una configurazione delle velocità come riportato in figura. Si ottiene quindi una compressione del gas, con rapporto relativamente basso, e comunque funzione del profilo delle palette e della velocità angolare. Una macchina di questo tipo si chiama compressore assiale in quanto la direzione del moto del gas non è radiale come nel compressore centrifugo, ma longitudinale.

Per sua natura ogni stadio di un compressore assiale ha un piccolo ingombro longitudinale (in pratica, la larghezza della paletta più quella, simile del diffusore), e si prestano quindi bene a configurazioni ad alto numero di stadi - il che ovvia al basso rapporto di compressione. Queste macchine sono quindi utilizzate nelle applicazioni di processo per grandi e grandissime portate e rapporti di compressione da bassi ad alti (fino a 5 : 1).

La loro configurazione li rende ideali per i motori a reazione - anche il Campini Caproni CC-2, ufficialmente il primo aereo a reazione a staccarsi da terra, utilizzava un compressore assiale, seppure semplificato, come anche il motore Heinkel Jumo (che lo precedette, ma in segreto), in configurazione più efficiente.