Revisione e confronto degli attuali standard prestazionali dei soffiatori industriali

Il settore del trattamento delle acque reflue dipende in larga misura da una fonte efficiente di aria a bassa pressione e priva di olio per fornire ossigeno al processo di digestione aerobica della materia organica.

Originariamente, quest'aria a bassa pressione veniva fornita da soffianti volumetriche a lobi rotativi, ma a causa degli elevati volumi d'aria richiesti per le applicazioni di aerazione, il settore delle acque reflue ha rapidamente adottato la tecnologia delle soffianti dinamiche, in particolare le soffianti centrifughe multistadio. Grazie al loro successo nel settore delle acque reflue, le soffianti dinamiche hanno ottenuto un'ampia accettazione e un utilizzo diffuso nell'industria in generale.

La necessità di una maggiore efficienza ha guidato l'innovazione di nuove tecnologie per i soffiatori, come i soffiatori turbo ad alta velocità e quelli a vite a bassa pressione. Queste tecnologie hanno migliorato le prestazioni nel tempo. Tali affermazioni hanno suscitato l'interesse sia degli utenti finali che dei progettisti, e si è discusso molto sul confronto delle prestazioni tra soffiatori dinamici e soffiatori a lobi.

È ovvio che quando un utente specifica le prestazioni di una soffiante, si aspetta che il produttore della soffiante fornisca le prestazioni specificate. Questo è particolarmente vero nel settore delle acque reflue, dove l'aerazione a bassa pressione rappresenta una spesa operativa significativa per il processo.

Di conseguenza, è necessario un metodo valido e affidabile per confrontare le prestazioni tra diverse tecnologie di soffianti, in modo che le decisioni di acquisto e di specifica possano essere basate su fatti e dati. La sfida nel confrontare le prestazioni tra diverse tecnologie di soffianti, come quelle dinamiche e volumetriche, è che operano con principi di compressione diversi. Ciò complica i requisiti di test necessari per ottenere un confronto accurato delle prestazioni e lascia spazio a report creativi sulle prestazioni.

La prossima generazione di standard per soffiatori

Gli standard prestazionali esistenti per i compressori dinamici (PTC-10 e ISO 5389) e i compressori volumetrici (ISO 1217) sono stati sviluppati decenni fa.

Sebbene questi standard siano stati sottoposti a numerose revisioni e modifiche nel corso degli anni, il settore delle acque reflue ha richiesto una nuova metodologia di test delle prestazioni filo-aria che misuri le reali prestazioni del pacchetto di compressori d'aria a bassa pressione (soffianti) e consenta confronti accurati delle prestazioni tra diverse tecnologie di soffianti.

In risposta a questa sfida, il Compressed Air & Gas Institute (CAGI), l'International Standards Organization (ISO) e l'American Society of Mechanical Engineers (ASME) hanno sviluppato indipendentemente i seguenti tre standard di prestazione per i soffiatori a bassa pressione:

Consideriamo l'esempio di tre persone che viaggiano da Miami a Chicago: una in auto, una in aereo e una in treno. Tutte e tre arriveranno alla stessa destinazione, ma ognuna con un'esperienza diversa nel raggiungerla. Allo stesso modo, sebbene ogni standard di prova, se correttamente seguito, dovrebbe fornire gli stessi dati prestazionali se applicato allo stesso compressore, ogni standard presenta delle differenze nella metodologia di prova.

In questo articolo vengono affrontati i limiti stabiliti per determinare cosa è incluso nel pacchetto del ventilatore, come viene raggiunta la somiglianza con ogni standard e la convalida dei dati che ogni standard richiede per effettuare un confronto tra due ventilatori qualsiasi, indipendentemente dalla loro tecnologia.

Alla fine dell'articolo è riportato un grafico per il confronto dei punti chiave dei tre standard di prova.

ASME PTC 13 - 2018: Codice di prova delle prestazioni filo-aria per sistemi di soffiaggio

L'ASME è nota sia a livello nazionale che internazionale per i suoi standard di prova.

Come suggerisce il nome, lo standard si concentra su sistemi o pacchetti di soffianti completi e fornisce un parametro di prestazione che rappresenta il rapporto tra la potenza in ingresso del pacchetto e la portata in uscita. Questo concetto è noto come "Wire-to-Air" e si discosta dai precedenti standard prestazionali che si concentravano principalmente sulle prestazioni del gruppo compressore e non su quelle del pacchetto completo.

L'intento della norma è quello di soddisfare le esigenze di macchine complete, come turbocompressori ad alta velocità e soffianti a vite, progettate, prodotte, vendute e utilizzate come pacchetti completi, composti da gruppo compressore, motore di azionamento, inverter e componenti del pacchetto. Come pacchetti completi, la norma considera le macchine come un'unità che aspira aria, la convoglia verso un tubo di scarico e consuma energia durante tale operazione.

Limiti delle prestazioni termodinamiche ed elettriche

Lo standard stabilisce il tipico strato limite per un sistema di soffiaggio per definire chiaramente quali elementi sono considerati parte del sistema/pacchetto. I confini del pacchetto sono suddivisi in un confine di prestazione termodinamica e un confine di prestazione elettrica. Il confine termodinamico si concentra sul gruppo vite e sui suoi controlli, mentre il confine elettrico si concentra sul motore di azionamento e sui suoi controlli. Questi due confini sono stati stabiliti per consentire all'acquirente e al fornitore di negoziare gli elementi da includere nel test del pacchetto.

L'intento è quello di identificare tutti i componenti rilevanti necessari per il funzionamento della macchina e di includerli sia nel test della macchina sia nei dati riportati e presentati nell'offerta.

Dove raccogliere le misurazioni

Il prossimo elemento di interesse e importanza è la configurazione del test. Per ottenere prestazioni ottimali nella trasmissione cavo-aria, il banco di prova è di fondamentale importanza per garantire che il sistema/package completo e tutti i componenti interessati siano considerati.

Gli elementi da includere nel test sono stati stabiliti dai limiti di prova, ma il posizionamento dei dispositivi di misura è altrettanto importante. L'obiettivo è quello di rilevare la pressione e la temperatura di aspirazione prima che l'aria raggiunga il limite del package, a differenza della misurazione della pressione e della temperatura dell'aria all'uscita dello strato limite.

La portata viene misurata a valle del confine del package e la potenza viene misurata in ingresso al confine del package. In teoria, questo consente di tenere conto di tutte le perdite di flusso interne e di tutti i consumatori di energia. Pressioni e temperature sono necessarie per la conversione accurata delle condizioni di prova alle condizioni garantite durante il processo di convalida dei dati.

Come misurare il flusso

Per quanto riguarda la portata, la misurazione in mandata è importante perché non tutta l'aria aspirata dalla flangia di aspirazione del soffiatore o dall'aspirazione della macchina raggiunge la porta di uscita. Questo flusso d'aria può essere perso a causa di slittamenti interni o incanalato per il raffreddamento o altre esigenze. La misurazione nel tubo di mandata è il metodo più accurato per confermare la portata d'aria erogata in pressione.

Misurazioni di potenza

La misurazione della potenza è altrettanto importante perché per molti anni è stata fornita la potenza dell'albero del ventilatore, utilizzata per ricavare teoricamente la potenza in ingresso totale del gruppo. Ora che esistono macchine complete, la potenza in ingresso effettiva della macchina può essere misurata con un singolo misuratore di potenza. Tutte le pompe ausiliarie, i ventilatori o altri dispositivi sono utilizzatori di energia e anche questi devono essere considerati nel test.

Validazione dei dati e metodologia

L'ultima parte della norma che verrà trattata riguarda la convalida dei dati. La norma fornisce la metodologia necessaria per quantificare le proprietà termodinamiche di funzionamento, i punti di similitudine e la convalida dei dati delle prestazioni del test, riportandoli alle condizioni garantite previste.

È qui che vengono stabilite anche le metriche di confronto importanti. Nel caso del PTC-13, queste possono essere identificate come:

• Rapporto di volume
• portata volumetrica
• Prevalenza isentropica (prestazione specifica filo-aria)
• numero di Mach
• Pressione di scarico

Rapporto di volumeviene utilizzato come punto di similitudine per la densità dell'aria nelle condizioni del sito di prova rispetto alla densità dell'aria nelle condizioni garantite. Tutti i test prestazionali sono concepiti per essere eseguiti in un laboratorio che non riproduca le condizioni del sito, il che inciderebbe sui risultati prestazionali.

portata volumetricaviene calcolato dal flusso di scarico misurato che viene convertito in flusso di ingresso nelle condizioni del sito di prova per il confronto con il flusso di ingresso garantito nelle condizioni del sito.carico isentropicoè il fulcro di questo test. Stabilisce la quantità di lavoro termodinamico necessaria per ottenere la portata e la pressione richieste. Per similitudine, le condizioni devono essere uguali in entrambi i siti di prova.

Numero di Mach della macchinaÈ ancora un punto di similitudine per le macchine dinamiche. Rappresenta la velocità delle molecole d'aria che lasciano l'estremità del rotore. Questo è correlato alla comprimibilità del fluido a diverse densità dell'aria, che a loro volta dipendono dalle condizioni del sito di prova e dalle condizioni garantite. Ancora una volta, per similitudine, queste dovrebbero essere mantenute invariate tra la prova e la garanzia.

Questi sono gli elementi fondamentali del codice di test PTC-13.

Perché sviluppare questi standard di prova per i ventilatori?

In quanto grandi utilizzatori di aria a bassa pressione, il settore del trattamento delle acque reflue si aspetta che i produttori di soffianti realizzino soffianti in grado di garantire le prestazioni specificate dall'utente.

Sono richiesti standard di prova per i soffiatori che consentano un confronto tra due soffiatori qualsiasi, siano essi macchine volumetriche o macchine dinamiche. Gli standard di prova PTC 13, BL300 e ISO 22484 forniscono metodologie di prova per i soffiatori che possono essere utilizzate per verificare che i produttori forniscano le prestazioni dichiarate.

In questo articolo sono state individuate le differenze tra questi standard e illustrato come questi standard di prova intendono soddisfare l'esigenza del mercato di uno standard di prova semplice, affidabile e valido che consenta un confronto accurato tra due soffianti qualsiasi.

Sebbene gli standard raggiungano questo obiettivo in modo sostanzialmente simile, l'applicazione delle leggi di similarità e dei criteri di accettazione varia.

PTC-13 è attivo sul mercato dal 2019. ANSI/BL300 è stato pubblicato come standard nazionale americano nel 2022 ed è disponibile tramiteSito web CAGILa norma ISO 22484 è in fase di finalizzazione e si prevede che verrà pubblicata nel 2024.