Soffiatori per radici: principio di funzionamento, applicazioni e fattori di selezione

Soffiatori per radici sono macchine volumetriche che intrappolano un volume fisso di gas e lo costringono dall'aspirazione allo scarico, fornendo un flusso quasi costante indipendentemente dalle variazioni di pressione. Eccellono nelle applicazioni che richiedono aria priva di olio a pressioni generalmente inferiori 1 bar(g) e portate da da 0,5 a oltre 1.000 m³/min . Questo rendimento stabile li rende la fonte d'aria preferita per l'aerazione delle acque reflue, il trasporto pneumatico, l'ossigenazione dell'acquacoltura e la desolforazione dei gas di scarico.

Principio di funzionamento dei ventilatori volumetrici

All'interno dell'involucro, due giranti a otto ruotano in direzioni opposte senza toccarsi tra loro o con l'alloggiamento. Quando ciascun lobo supera l'ingresso, si forma una sacca di gas che viene intrappolata tra il lobo, la parete dell'involucro e le piastre terminali. La rotazione trasporta questa sacca di volume invariato verso il lato di scarico, dove l'improvvisa esposizione a una pressione del sistema più elevata provoca una rapida compressione, spesso chiamata compressione isocora o esterna. Non si verifica alcuna compressione interna; la ventola sposta semplicemente il gas contro la pressione di scarico, il che limita l'efficienza termodinamica ma garantisce un funzionamento senza olio e una costruzione semplice.

Questo principio di funzionamento spiega due caratteristiche critiche: il flusso è proporzionale alla velocità e la pressione di scarico è determinata dalla resistenza del sistema a valle. Un soffiatore Roots eroga il suo volume nominale anche con una valvola parzialmente chiusa, ma la potenza assorbita aumenta quasi linearmente con la differenza di pressione. La sovrapressurizzazione può sovraccaricare rapidamente il motore di azionamento, pertanto una valvola limitatrice di pressione è un componente di sicurezza obbligatorio.

Configurazioni di giranti bilobo e trilobo

Il profilo della girante influenza direttamente la pulsazione, il rumore e l'efficienza volumetrica. Creazione di rotori a due lobi due impulsi di scarica per giro , provocando una caratteristica ondulazione di pressione a bassa frequenza. I rotori a tre lobi generano tre impulsi più piccoli per giro , uniformando significativamente il flusso e riducendo il rumore. La tabella seguente confronta i valori tipici.

In pratica, i ventilatori a tre lobi dominano le nuove installazioni perché soddisfano le normative più severe sul rumore sul posto di lavoro e riducono l’affaticamento indotto dalle vibrazioni sui condotti collegati. I design a due lobi rimangono una scelta economica per applicazioni di grandi dimensioni a bassa pressione in cui un silenziatore può attenuare adeguatamente le pulsazioni, come l'aerazione di stagni in allevamenti di acquacoltura remoti.

Limiti delle prestazioni e considerazioni sull'efficienza

I soffiatori per radici non sono macchine ad alta pressione. L'aumento di pressione massimo pratico in un singolo stadio è di circa 1,0 bar(g) e le unità a due stadi possono raggiungere circa 1,5 bar(g) . Oltre questi limiti, le perdite interne attraverso gli spazi vuoti aumentano eccessivamente e le temperature di scarico possono superare 140 °C , rischiando un'espansione termica che potrebbe causare il contatto del rotore.

L'efficienza adiabatica varia tipicamente da Dal 55% al 65% al miglior punto di efficienza, inferiore rispetto ai compressori a vite. Questo è il risultato diretto della compressione esterna: l'energia utilizzata per forzare un volume costante di gas contro una pressione più elevata non viene completamente recuperata. Tuttavia, il plateau di efficienza è molto piatto su un ampio intervallo di portate e il costo totale di proprietà spesso favorisce le soffianti Roots dove le pressioni rimangono al di sotto 0,8 bar(g) e il processo lo richiede 8.000 ore di funzionamento all'anno a condizioni stabili.

Principali applicazioni industriali

• Trattamento delle acque reflue: fornitura di aria ai bacini di aerazione. Un tipico 10.000 m³/giorno l'impianto comunale ne utilizza due 75 chilowatt soffiatori che erogano 2.500 m³/h ciascuno a 0,5 bar(g) ai diffusori a bolle fini.
• Trasporto pneumatico: trasporto di cemento, farina o pellet di plastica in sistemi a fase diluita che richiedono aria continua e priva di olio a 0,4–0,8 bar(g) .
• Acquacoltura: stagni per gamberetti e canaline per pesci ossigenati, spesso con unità trilobate funzionanti 24 ore su 24, 7 giorni su 7 a bassa pressione.
• Desolforazione dei gas di scarico: fornitura di aria di ossidazione per convertire il solfito in gesso negli scrubber a umido, un ambiente esigente che trae vantaggio dal design semplice e robusto della ventola.
• Servizio vuoto: quando l'aspirazione è collegata ad un sistema chiuso, la stessa macchina funziona come una pompa per vuoto a secco, raggiungendo livelli di vuoto approssimativi fino a 200 mbar(ass) .

Criteri di selezione per un pacchetto di soffianti Roots

La scelta della ventola giusta richiede l'adattamento alla curva del sistema e la valutazione delle condizioni del sito. Considera questi fattori in ordine:

1. Portata volumetrica richiesta alle condizioni di ingresso effettive, non alle condizioni standard. Ad altitudini più elevate, potrebbe essere necessario un ventilatore fisicamente più grande per compensare la minore densità dell'aria.
2. Pressione di scarico massima consentita. Se la pressione di processo supera 1,0 bar(g) , si dovrebbe valutare un'unità a due fasi o una tecnologia alternativa.
3. Composizione del gas e contaminanti. I soffiatori Roots gestiscono aria, biogas e gas inerti, ma i componenti corrosivi richiedono parti interne in acciaio inossidabile o rivestimenti speciali.
4. Vincoli sul rumore. Possono essere soddisfatti pacchetti a tre lobi con silenziatori di ingresso/uscita e involucri acustici 70dB(A) ad un metro, fondamentale per installazioni indoor o urbane.
5. Ciclo di lavoro e temperatura ambiente. Il funzionamento continuo in condizioni di calore ambientale elevato può richiedere radiatori dell'olio esterni o involucri raffreddati ad acqua per mantenere le temperature di scarico al di sotto 120 °C .
6. Costo totale di proprietà. La struttura semplice del ventilatore mantiene bassi i costi di ricambi e manutenzione, ma in genere prevale il consumo di energia su un periodo di 10 anni; pertanto, è necessario verificare attentamente l'efficienza al punto operativo effettivo, e non solo il punto di efficienza migliore.

Pratiche di manutenzione che prolungano la durata utile

I soffiatori Roots sono apprezzati per la loro manutenzione minima, ma alcune azioni mirate prevengono tempi di fermo macchina non pianificati. Gli ingranaggi e i cuscinetti della distribuzione sono lubrificati a sbattimento o lubrificati con grasso; cambio olio ogni 2.000 ore di funzionamento o secondo l'analisi dell'olio è standard. I filtri dell'aria devono essere ispezionati mensilmente in ambienti polverosi: i filtri intasati aumentano la caduta di pressione, riducendo il flusso e aumentando il carico del motore. Le guarnizioni a labirinto o a labbro che separano la camera dell'olio dalla camera di compressione sono elementi soggetti ad usura; quando vengono rilevate perdite dalle guarnizioni durante le ispezioni trimestrali, è necessario sostituirle immediatamente per evitare la contaminazione da olio dell'aria di processo.

I giochi del rotore sono impostati in fabbrica con tolleranze per il funzionamento a freddo di 0,1–0,5 mm , a seconda della dimensione del rotore. Questi non dovrebbero mai essere modificati sul campo senza la guida del produttore. Invece, l'andamento della temperatura di scarico e l'ascolto di eventuali suoni ritmici di contatto forniscono un allarme tempestivo sull'usura dei cuscinetti o sull'eccessiva crescita termica. Con la cura adeguata, un soffiatore Roots riesce regolarmente 40.000–60.000 ore di funzionamento tra revisioni importanti.