Studio numerico e sperimentale di un compressore d'aria a palette bi-stadio con inter-raffreddamento tramite nebulizzazione d'olio

The present work deals with the numerical and experimental analysis of an innovative two-stage sliding-vane rotary compressor with nebulized oil-cooled system, exchanging heat with air inside a long duct. Compressed air is a fluid power used in many industrial processes. Electric consumption to produce compressed air is between 10-15% of the world power production. The aim of this work is the evaluation of a very innovative and efficient two-stage compressor system to obtain air compressed in the energetically critical range flow of 10-30 m3/min. The innovative aspect of this system is the way of oil injection inside the duct: a finely atomized injection sited in the intake duct of the compressor. The study of this system is carried out through four experimental sections and an accurate and precise thermo-graphic study. Through the results achieved it is defined the main variables of the two-stage inter-cooled compressor: the right nozzles position inside the inter-refrigerate conduct, the type of injection that maximizes the air-oil exchange, the numbers of injectors needed to obtain the request intermediate temperature, the oil injected temperature and the type of compressors that maximize the global energy efficiency. The energy performances, of the compressor specified before, lead to a decrease of the specific energy equal to 14% compared to an efficient single-stage sliding-vane rotary compressor and to 5.5% compared to a bi-state air –cooled compressor. Finally it is reported an economic analysis that confirmed the affordability of the studied system. The pay back time obtained is less than 3 years also with a half price of the electric energy (€/kWh) or a doubled capital cost of the bi-stage air compressor.

L’aria compressa è un fluido operativo indispensabile in molti processi industriali, alla sua produzione sono attribuiti circa il 10-15% dei consumi elettrici globali del settore indu-striale; ridurre i consumi è dunque un obbiettivo di primaria importanza. È in tale conte-sto che si inserisce il presente elaborato, che tratta lo studio numerico e sperimentale condotto su un innovativo compressore a palette bi-stadio ad altissima efficienza inter-raffreddato ad olio. L’aspetto innovativo del bi-stadio in parola è rappresentato dalla mo-dalità di raffreddamento dell’aria, che non avviene in un tradizionale scambiatore ad aria, ma tramite l’iniezione d’olio finemente nebulizzato all’interno di un lungo condotto. Tale condotto è stato l’oggetto dello studio sperimentale svolto, in particolare si è studiato il corretto posizionamento degli ugelli nel condotto d’inter-raffreddamento, la tipologia d’iniezione che massimizza lo scambio termico aria-olio e soprattutto la temperatura dell’olio iniettato che consente di minimizzare l’energia specifica assorbita da un com-pressore a palette posto a valle del condotto in questione. L’efficiente compressore bi-stadio inter-raffreddato ad olio nebulizzato consente una diminuzione d’energia specifica assorbita dal sistema pari al -5.5% rispetto al bi-stadio ad inter-raffreddamento tradiziona-le e -14% rispetto ad un efficiente compressore monostadio. La maggior efficienza ener-getica si traduce in un’alta convenienza economica del sistema bi-stadio in parola, che ga-rantendo un tempo di ritorno dell’investimento pari a 1.5 anni d’esercizio, particolarmen-te basso in sistemi pensati per funzionare per più di dieci anni, consente di ridurre forte-mente i costi elettrici associati alla produzione d’aria compressa ad uso industriale.