Experimental investigation on the impact of materials and lubricants on the performances of a sliding-vane rotary air compressor

Positive-displacement compressors and, among them, sliding-vane rotary machines are widely used in the compressed air sector. Pursuit of more efficient energy utilization has become a major goal in this sector as in many other industrial fields. The aim of the present activity is the experimental investigation into the influence of two vane materials (cast iron and aluminium with anodized surface) and of four commercial lubricants (characterized by different viscosity indexes and additives concentrations) on the performance of a mid-capacity sliding-vane rotary compressor at five different operating pressures. Performance is characterized by the study of the volume flow rate, the absorbed mechanical power and the mechanical specific energy evaluated according to the international standard ISO 5167 and ISO 1217. Propagation of uncertainties is calculated according to ISO 5168 for direct measurements and to ISO IEC Guide 98 (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, GUM) for combined quantities and for the compatibility check of results. After carrying out more than 400 tests, averaged values are calculated and analysed through the development of a MATLAB® program and a proper VBA Excel workbook. The results of this campaign indicate that the considered lubricants do not affect appreciably the volumetric flow rate. On the other hand, different lubricants determine a variation of about 0.5 % of the mechanical power with cast iron vanes and of 1% with aluminium vanes, while changing the specific material determines a variation of between 1.3% and 2.5%. The best performance is achieved by aluminium vanes and a synthetic poly-α-olefin lubricant.

I compressori volumetrici, e in particolare quelli rotativi a palette, sono ampiamente utilizzati nel mondo dell’aria compressa. Come in molti altri settori industriali, l’innovazione tecnologica degli ultimi anni ha permesso di intraprendere nuove linee di sviluppo volte alla ricerca di una sempre maggiore efficienza energetica. Nello specifico, lo scopo del presente lavoro è di studiare sperimentalmente come palette di materiali differenti (ghisa e alluminio con superficie anodizzata) e come quattro diversi tipi di oli lubrificanti (caratterizzati da differenti indici di viscosità e diverse concentrazioni di additivi) influenzino le prestazioni di un compressore a palette di capacità media. Tali prestazioni sono analizzate attraverso il calcolo di tre parametri principali: portata volumetrica, potenza meccanica assorbita all'albero motore e lavoro specifico meccanico. Tali parametri sono calcolati e corretti in accordo a quanto scritto rispettivamente nelle norme ISO 5167 e ISO 1217. Il calcolo della propagazione dell’incertezza, dai dati direttamente letti dagli strumenti fino al calcolo dei risultati finali, e il controllo della compatibilità dei risultati sono eseguiti secondo le norme ISO 5168 e ISO IEC Guide 98 (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, GUM). L'elaborazione dei dati per le 400 prove eseguite è svolta usando un adeguato codice di calcolo scritto tramite il software MATLAB®. Inoltre, la successiva analisi dei valori medi ottenuti (con un livello di confidenza del 95%) è svolta tramite un foglio di calcolo sviluppato in ambiente VBA Excel. I risultati mostrano come a livello di media campionaria i lubrificanti considerati non influenzino apprezzabilmente la portata volumetrica di aria. Al contrario, si osserva una variazione dello 0.5% della potenza meccanica con le palette in ghisa e del 1% con le palette in alluminio. In aggiunta, confrontando i due materiali si notano scostamenti nell’assorbimento di potenza meccanica compresi tra 1.3% e 2.5%. In conclusione, la combinazione migliore è quella composta dalle palette in alluminio e dall’olio sintetico poli-alfa-olefine.