Modulo 0.3: Richiami di componentistica

Scaricatori di condensa

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Ing. Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Corso di Impianti Meccanici

Laurea Triennale e Magistrale

2

Scaricatori di condensa

Problema di formazione della condensa

Un problema non trascurabile negli impianti di compressione gas è relativo alla

condensazione del vapore (ad esempio, presente nell’aria). Bisogna assolutamente

evitare che delle goccioline di acqua arrivino al secondo stadio di compressione o agli

utensili pneumatici perché, a causa della natura incomprimibile dell’acqua, si avrebbe

la rottura del cilindro o degli utensili. La condensa che si forma viene quindi separata

grazie a separatori ed eliminata dal circuito tramite gli scaricatori di condensa.

L’aria è una miscela di gas, composta principalmente da: azoto, ossigeno, anidride

carbonica, gas nobili e vapor d’acqua. Per la legge di Dalton, la pressione totale

esercitata da una miscela di gas ideali, è pari alla somma delle pressioni parziali dei

singoli componenti. La pressione parziale di un componente è quella che sarebbe

esercitata dal singolo gas se fosse presente da solo in egual volume.

Il vapore contenuto in aria condensa quando vengono raggiunte le condizioni di

saturazione, ovvero quando ad una certa temperatura, la pressione parziale del

vapore eguaglia la pressione di condensazione relativa a quella temperatura.

3

Scaricatori di condensaDiagramma di Mollier per l’acqua → Le grandezze specifiche sono riferite al kg di acqua

Es: con una pressione di 1 bar il vapore condensa a 100°C

con una pressione di 74 mbar il vapore condensa a 40°C

T [°C] 0,01 5 10 15 20 25 30 35 40 45

psat [kPa] 0,6113 0,8721 1,2276 1.7051 2,339 3,169 4,246 5,628 7,384 9,593

T [°C] 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

psat [kPa] 12,349 15,758 19,940 25,03 31,19 38,58 47,39 57,83 70,14 84,55

4

Scaricatori di condensa

pv = RT →

• x =𝜌v

𝜌a=

Τkgv m3

Τkga m3 =kgv

kga(titolo di vapore)

• Tv = Ta = T

• Rv =R0

μv, μv = 18 kg/kmol

• Ra =R0

μa, μa ≃ ω02 ∙ μ02 +ωN2

∙ μN2= 0,23 ∙ 32 + 0,77 ∙ 28 = 28,92 kg/kmol

papv

∙vavv

=R0μa

∙μvR0

∙T

T→

papv

∙𝜌v𝜌a

=μvμa

→ x =μvμa

∙pvpa

=18

28,92∙pvpa

= 0,622pvpa

φ =Pv

Psat(T)→ 𝐱 = 𝟎, 𝟔𝟐𝟐

𝛗 𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)

𝐩 − 𝛗 𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)

pava = RaTa a = aria secca

pvvv = RvTv v = vapor d’acqua

p = pressione totale dell’aria umida

Calcolo della condensa da rimuovere

5

Scaricatori di condensa

La temperatura raggiunta dall’aria a seguito del raffreddamento determina la pressione di

saturazione del vapore. Entrambe le grandezze sono pertanto note. Anche la pressione dell’aria

compressa è nota.

Se conoscessi il grado igrometrico, sarebbero noti anche gli x grammi di vapore contenuti

nell’aria compressa che, confrontati con gli x0 grammi di vapore iniziale, determinano la quantità

di acqua che condensa.

Se all’uscita di uno stadio di compressione, ad esempio, la pressione dell’aria risulta triplicata,

secondo la legge di Dalton lo stesso accade alla pressione parziale del vapore. Le elevate

temperature di fine compressione sono però tali da determinare una elevata pressione di

saturazione del vapore, maggiore rispetto alla sua pressione parziale (φ<1).

D’altro canto, l’aria all’uscita dallo stadio di compressione viene solitamente raffreddata sotto i

40°C: raffreddando l’aria (e quindi anche il vapore), la pressione di saturazione del vapore

cala (l’aria può contenere meno vapore). Quando pressione parziale e pressione di saturazione

del vapore si eguagliano, inizia a formarsi della condensa (φ=1). Pertanto, a valle dello

scambiatore di calore possiamo raggiungere le condizioni di saturazione: φ = 1.

𝐱 = 𝟎, 𝟔𝟐𝟐𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)

𝐩 − 𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)

6

Scaricatori di condensa

𝐱𝐬𝐚𝐭 = 𝟎, 𝟔𝟐𝟐𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)

𝐩 − 𝐩𝐬𝐚𝐭(𝐓)

Nel secondo stadio di compressione l’aria entra in condizioni di saturazione (situazione limite

per evitare che delle goccioline arrivino nel cilindro) per essere compressa. Tuttavia, l’aumento

di temperatura dovuto alle perdite ed alla compressione fa aumentare la pressione di

saturazione del vapore allontanando l’aria dalle condizioni di saturazione.

Anche nel serbatoio d’accumulo e lungo la rete di

distribuzione si ha l’estrazione di condensa: difatti,

l’aria, che si trova in condizioni di saturazione, può

condensare per effetto della diminuzione della

temperatura del sistema (ad esempio, non perfetta

coibentazione e perdita di calore con l’ambiente

esterno), che comporta una diminuzione della

pressione di saturazione. Questo effetto è bilanciato

dalle perdite di carico lungo il circuito, che

comportano una diminuzione della pressione e,

quindi, un allontanamento dalle condizioni di

saturazione.

7

Scaricatori di condensaSeparatore di condensa

Il separatore di condensa è un separatore

inerziale. All’interno del separatore vi è un setto

intermedio che separa ingresso e uscita. L’aria

è costretta a transitare attraverso settori

circolari: le goccioline sospese soggette a forza

centrifuga vanno a collidere con le pareti e

vengono separate. Il film liquido che si forma

viene raccolto verso il basso e arriva allo

scaricatore di condensa.

Il separatore di condensa deve essere

sovradimensionato per permettere

l’estrazione di condensa in qualunque

situazione (es: a seguito di un calo generale

della temperatura dell’aria compressa in rete).

La presenza di un separatore di condensa, pur essendo indispensabile, penalizza il rendimento

dell’impianto (perdite di carico).

8

Scaricatori di condensaSeparatore di condensa: dati tecnici e dimensioni

Categoria secondo direttiva PED

(Pressure Equipment Directive)

Conoscere la tipologia di

connessione a disposizione

è fondamentale per poter

collegare correttamente il

separatore all’impianto

9

Scaricatori di condensaSeparatore di condensa: dimensionamento

Il corretto dimensionamento del separatore di condensa è di fondamentale importanza per evitare che della

condensa possa arrivare al compressore danneggiandolo.

Il costruttore solitamente fornisce il valore massimo di portata di aria consigliata e dunque occorre fare

attenzione alle condizioni di pressione e temperatura a cui tale portata si riferisce.

Esempio.

Si vuole scegliere un separatore per una portata di 300 Nm3/h a 30

°C e pressione pari a 6 bar.

Per poter procedere alla scelta si deve calcolare la portata di aria

nelle condizioni fornite dal costruttore del separatore (nel caso la

portata è definita pari a quella alle condizioni di funzionamento):

𝑄𝑓 = 𝑄𝑛273 + 𝑡𝑓

273×

1,013

1,013 + 𝑝𝑓= 300 ×

273 + 30

273×

1,013

1,013 + 6= 56,1

𝑚3

ℎ

Dove:

• Qf è la portata di aria alle condizioni di funzionamento (m3/h);

• Qn è la portata di aria alle condizioni normali (Nm3/h);

• Tf è la temperatura di funzionamento in ingresso al

separatore(°C)

• Pf è la pressione dell’aria in ingresso al separatore, (bar)Si sceglie il DN 40 che

consente una portata

superiore a quella calcolata

10

Scaricatori di condensaScaricatore di condensa

Lo scarico della condensa non avviene direttamente

dal separatore di condensa ma attraverso uno

scaricatore di condensa.

Un piccolo galleggiante apre la luce di scarico quando

la condensa raccolta raggiunge un certo livello.

Ingresso Condensa

Uscita Condensa

11

Scaricatori di condensaScaricatore di condensa

Problema dell’invaso: se il condotto tra separatore di

condensa e scaricatore di condensa è troppo piccolo,

si possono formare dei tappi di aria che impediscono

alla condensa di scendere verso lo scaricatore (la

pressione dell’aria è pari alla pressione di rete più il

battente di acqua condensata che cerca di

raggiungere lo scaricatore).

Per evitare ciò si utilizza il tubo equilibratore che

libera l’invaso di aria e fa in modo che l’acqua possa

scendere.

Condotti di scarico troppo grandi, comportano una

fuoriuscita di aria compressa non trascurabile dato

che il salto di pressione tra l’aria contenuta nello

scaricatore di condensa e l’ambiente può raggiungere

gli 8-9 bar.

12

Scaricatori di condensaScaricatore di condensa: dati tecnici

Lo scaricatore di condensa deve essere scelto tenendo conto delle effettive condizioni di lavoro

dell’impianto in cui andrà ad essere installato.

Derating temperatura - pressione

13

Scaricatori di condensaScaricatore di condensa: dimensioni

Rappresenta la distanza che si deve garantire fra

tale superficie e qualunque altro oggetto.

Si tratta dunque di un’informazione di ingombro.

14

Scaricatori di condensaScaricatore di condensa: dimensionamentoIl dimensionamento dello scaricatore di condensa è effettuato considerando la portata di condensa

da scarica. Il costruttore fornisce la curva di portata in funzione della pressione differenziale in bar,

ossia della differenza di pressione necessaria per scaricare la portata di condensa.

Esempio

Si supponga di dover scarica una portata di

condensa pari a 250 kg/h.

La pressione differenziale (in ascissa) è calcolata

come differenza fra la pressione a monte del

separatore di condensa e la contropressione

totale della linea di ritorno (pressione statica +

perdite di carico). Se dai calcoli risulta che la

pressione differenziale è pari a 6 bar, dal grafico

si osserva che lo scaricatore scelto è sufficiente

allo scopo. In caso contrario si sarebbe dovuto

adottare un altro scaricatore.

15

Scaricatori di condensaSeparatore e scaricatore di condensa: installazione

Il separatore di condensa deve essere installato correttamente con la freccia nella direzione di percorrenza

dell’aria e con l’attacco di scarico rivolto verso il basso per consentire il deflusso della condensa.

All’attacco di scarico occorre installato lo scaricatore di condensa dimensionato per l’effettivo quantitativo di

condensa separato e preceduto da un filtro.

Per piccole portate (per esempio per applicazioni di drenaggio di linea è consentita l’eliminazione del tubo di

equilibratore che collega superiormente lo scaricatore al separatore (caso 1). Infatti l’aria presente nel corpo

non si pressurizza avendo la possibilità di sfiatare attraverso il collegamento occupato solo parzialmente dal

liquido. In caso di portate elevate occorre seguire il caso 2 con tubo equilibratore.

Scaricatore

di condensa

Filtro

Tubo di equilibratoreCaso 1 Caso 2

Modulo 0.3: Richiami di componentistica

Scaricatori di condensa

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Ing. Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

Corso di Impianti Meccanici

Laurea Triennale e Magistrale