Experimental testing of the "intracooling" concept applied to a dual-stage sliding-vane compressor

The present thesis shows an experimental investigation upon a novel dual stage compression cycle applied to a rotary sliding vane air compressor. The object of the analysis is the ‘intracooling’ concept. This technology is characterised by oil injection in a duct to cool down the air coming from the first compressor before the second stage. An alternative to this is the intercooling technology, which employs an air radiator to decrease the second compressor inlet temperature. The advantages of intracooling are the availability of oil in sliding vane air compressors and the reduction in costs and dimensions of the overall system with respect to intercooling. From the numerical analysis, dual stage compressor is more efficient than single stage, while intercooling and intracooling are comparable in terms of performances. This is an indication of the importance of the efficient design of intracooling duct. The experimental campaign is conducted on a system composed by the first stage compressor and the intracooling duct. The results evidence a significant temperature decrease in the duct, equal to almost 8°C. This important results is symptoms of the effectiveness of the intracooling technology, performed with pressure swirl nozzle, able to generate a fine oil nebulization in the duct. The same conclusions can be made studying the temperature distribution on the duct performed with thermal imager.

Il presente lavoro di tesi mostra lo studio sperimentale condotto su un innovativo compressore d’aria a palette bistadio dotato di raffreddamento ad iniezione di olio in un condotto all’uscita del primo compressore. A tal fine, si introduce un nuovo concetto di raffreddamento, chiamato ‘intracooling’, caratterizzato da iniezione di olio freddo in pressione in un condotto attraverso efficienti iniettori pressure swirl, per raffreddare il flusso d’aria uscente dal primo compressore. Il principale beneficio derivante dall’abbassamento della temperatura di ingresso al secondo compressore è la diminuzione del lavoro di compressione del secondo stadio. Questo fenomeno è dovuto alla riduzione della temperatura media di compressione. Innanzitutto, si effettua una comparazione tra un compressore a singolo stadio ed uno bistadio. In caso di compressione bistadio, si confronta la tecnologia di intra-raffreddamento con quella di inter-raffreddamento. Entrambe le comparazioni sono effettuate sia in caso di compressione senza olio sia di compressione a bagno d’olio. La tecnologia di inter-raffreddamento prevede il raffreddamento dell’aria dal primo compressore mediante un radiatore alimentato ad aria. Questa è una tecnologia diffusa e largamente applicata in campo industriale, nonostante presenti degli svantaggi relativi ai costi e agli ingombri delle tubazioni e degli scambiatori di calore. In questo contesto, la tecnologia dell’’intracooling’ introduce la possibilità di effettuare il raffreddamento del flusso d’aria limitando i costi e gli ingombri. Un altro importante vantaggio di questa tecnologia è relativo al fatto che l’olio iniettato nel condotto per raffreddare l’aria è già a disposizione, in quanto i compressori a palette funzionano a bagno d’olio. Quindi l’unico costo aggiuntivo relativo a questa tecnologia risiede nello scambiatore dedicato all’olio iniettato nel condotto per garantire la temperatura di iniezione voluta. Inoltre, al fine di determinare la migliore disposizione degli iniettori nel condotto e di valutare il massimo decremento di temperatura raggiungibile nel condotto, si sono effettuati test con diverso numero e posizione degli iniettori attivi nel condotto. Questi sono stati realizzati su un impianto composto da un compressore a palette, prodotto da Mattei®, che costituisce il primo stadio del processo, e da un condotto di raffreddamento, costituito da 10 iniettori d’olio radiali a cono pieno. L’olio iniettato si trova alla temperatura di 40°C e 6 barg, per simulare l’olio separato dopo il secondo compressore e raffreddato in uno scambiatore dedicato. Dal confronto tra le diverse tecnologie, si evince come il bistadio è sempre più efficiente di un compressore a singolo stadio sia in caso di compressione senza olio che in condizione di bagno d’olio. Mentre nel confronto tra la tecnologia ad inter-raffreddamento e quella ad intra-raffreddamento, si notano delle prestazioni completamente comparabili in termini di energia specifica. Questo è dovuto al fatto che, per ottenere il completo raffreddamento del flusso d’aria, nel caso di ‘intracooling’, sarebbe necessaria una portata d’olio elevata, che causerebbe un aumento dei costi per il raffreddamento dell’olio, provocando un peggioramento delle prestazioni. Quindi risulta molto importante il dimensionamento e le caratteristiche del condotto per minimizzare la temperatura di intra-raffreddamento al fine di migliorare le prestazioni dell’intero sistema. Dalla campagna sperimentale, si deduce che la posizione degli iniettori non influisce sull’efficacia del raffreddamento, anche se attivare gli iniettori alla fine potrebbe essere più efficace di farlo all’inizio del condotto. Dall’analisi dei risultati per tutte le configurazioni, si deduce che aumentando il numero di iniettori attivi nel condotto, quindi aumentando il rapporto massico di olio iniettato ed aria, aumentata l’efficacia di raffreddamento. Inoltre si evidenzia una significativa riduzione della temperatura nel condotto nel caso di massima portata d’olio iniettata. Questa riduzione di temperatura è di poco inferiore agli 8 gradi. L’efficacia del raffreddamento è chiara anche praticando una mappatura termica del condotto. Il confronto con una simulazione numerica e i risultati sperimentali evidenzia l’efficacia del raffreddamento nel condotto grazia alla nebulizzazione fine data dai pressure swirl. Inoltre, si prevede un’ulteriore miglioramento delle prestazioni nel caso in cui la compressione bistadio avvenga con un rapporto di compressione superiore a quello tipico industriale, che non supera i 9. Questo rapporto di compressione è stato il riferimento per la presente analisi.