Presentazione dell'elaborato di tesi per laurea di 1° livello presso Politecnico di Milano

1. Candidato: Pierluca Bracco (809409)
Relatore: Prof. Luigi Pietro Maria Colombo
Tutor aziendale: Ing. Marco Edoardo Felli
POLITECNICO DI MILANOTesi di Laurea Triennale, Pierluca Bracco
Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Corso di Laurea in
Ingegneria Energetica
Anno Accademico 2017–2018
Implementazione di un sistema di
monitoraggio su un impianto ad aria
compressa al fini dell’efficienza
energetica

2. Auditech SRL
Auditech s.r.l. è una società di ingegneria nata a Milano nel 2009 con lo scopo
di diffondere la cultura dell’ingegneria di manutenzione anche mediante
tecnologie innovative di manutenzione predittiva e risparmio energetico come
gli Ultrasuoni Airborne, termo-camere e strumenti di analisi vibrazionale.
POLITECNICO DI MILANOPierluca Bracco [1/15]
 Implementazione nuova tecnologia (Aircompany sas) per:
• Diagnosi energetiche;
• Valutazione preliminare principali centri di saving;
• Verificare bontà soluzioni adottate precedentemente.
Oltre alle diverse attività di reportistica e analisi riguardanti diverse ispezioni
elettriche e meccaniche il mio tirocinio si è focalizzato infatti sullo studio e
sull’implementazione della tecnologia di cui sopra presso due diverse aziende.

3. BEKO Tecnologies
Lo strumento che Auditech ha deciso di integrare nel proprio processo è
un prodotto dell’azienda tedesca BEKO TECNOLOGIES, leader
mondiale per la tecnologia dell’aria e dei gas compressi.
Lo strumento in particolare è composto da una unità di acquisizione ed
elaborazione dei dati in grado di monitorare diversi parametri a seconda
dei sensori ad essa collegati.
Per le applicazioni di nostro interesse tali sensori consistono in:
• Flussometro METPOINT FLM (1);
• Pinza Amperometrica Rogowski (2);
• Trasduttore di pressione METPOINT PRM (3).
(2) (3) (1)
Pierluca Bracco [2/15]

4. Monitoraggio sistema ad Aria Compressa
È stato condotto uno studio che stima le possibilità di efficientamento dell’aria
compressa:
• Terza utility industriale: 11% energia elettrica complessivamente consumata;
• Potenziale saving: 33% spesa energetica.
Risulta chiaro quindi che il settore dell’aria compressa presenta enormi potenziali tecnici
ed economici di risparmio.
Considerando ad esempio l’Italia:
• Consumo settore industriale: 125,5 TWh;
• Possibilità di risparmio energetico: 5 TWh;
• Prezzo medio per industria: 0,1-0,15 €/kWh;
• Fattore di emissione: 330,6 g𝐶𝑂2/kWh (fonte: Isprambiente 2016).
Possibile saving:
 Economico: 500÷600 Mln€
 Ambientale: 1,653 Mton𝐶𝑂2
Pierluca Bracco [3/15]

5. Progetto di tirocinio: Il Cliente
SCOPO DEL PROGETTO: Fornire una «fotografia» dello stato attuale dell’impianto.
Innanzitutto:
• Valutazione settimana campione (dal 21.10 al 27.10 );
• Installazione sensori nel punto di misura individuato come ottimale.
Pierluca Bracco [4/15]

6. La sala compressori presso l’azienda Cliente è composta da:
Pierluca Bracco
Progetto di tirocinio: Il Cliente
Quantità Potenza Portata Perdita di carico
[n°] [kW] [Nm3/h] [bar] [bar]
2 FINI GIGA SD 7510 STC Vite 55 222 ÷ 558 10 -
2 RD80A Refrigerante 0,71 480 14 0,2 ÷ 0,6
QF (5μm) - 990 16 0,05 ÷ 0,6
PF (1μm) - 990 16 0,1 ÷ 0,6
HF (0,01μm) - 990 16 0,1 ÷ 0,6
Tipologia
Sistema di filtrazione 3 OMI F0165
Compressore
Essiccatore
Modello
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7. Si riporta quindi uno schema dei componenti e della configurazione
della stazione di compressione presso l’azienda cliente:
In cui si può notare la posizione dei
morsetti dei sensori dello strumento
di misura, in particolare:
• Pinza amperometrica collegata
all’alimentazione del
compressore
• Trasduttore di pressione e
flussometro collegati alla
tubazione di mandata a monte
del sistema filtrante
Pierluca Bracco
Progetto di tirocinio: Il Cliente
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8. Progetto di tirocinio: L’analisi dei dati
È innanzitutto di fondamentale importanza ai fini dell’analisi dei dati conoscere:
• Il ‘’ritmo’’ di produzione dell’azienda;
• Le utenze e gli usi asserviti alla stazione di compressione.
Una volta ricavati tutti i dati di targa dei diversi componenti utili al confronto con
i dati misurati, si procede all’analisi, che si articolerà come segue:
A. Analisi della caduta di pressione sulla sala compressori;
B. Ricerca curva di rendimento e valutazione eventuale abbassamento di
pressione operativa;
C. Ricerca delle perdite di aria compressa dai profili giornalieri di produzione.
Pierluca Bracco [7/15]

9. Pierluca Bracco
A. Una volta ricavati tutti i dati relativi alle perdite di carico disponibili dalle schede
tecniche dei componenti si è quindi proceduto al confronto con i dati misurati:
Compressore
𝑃𝑜𝑝 = 9 ± 0,5 𝑏𝑎𝑟
Essiccatore
∆𝑃 = 0,2 ÷ 0,6 𝑏𝑎𝑟
Sistema di filtrazione
∆𝑃 𝑚𝑖𝑛= 0,3125 𝑏𝑎𝑟
Dalle misurazioni invece si ricavano i valori massimi, minimi e medi relativi alla
pressione di linea:
[bar]
Max 9,09
Min 8,86
Mean 9,00
Quindi considerando le oscillazioni permesse al
compressore, le perdite di carico si stimano comprese tra
(0,41 ÷ 0,64) bar.
Considerando un valore medio di 0,52 bar a cui vanno
sommate le perdite imputabili al sistema di filtrazione,
otteniamo una caduta di pressione complessiva di circa 0,8
bar contro un valore ottimo di 0,6-0,7 bar.
∆𝑃𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟= 0,1 ÷ 0,2 𝑏𝑎𝑟
Progetto di tirocinio: L’analisi dei dati (A)
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10. Pierluca Bracco
B.1 Ricerca della curva di rendimento (1) e valutazione riduzione di pressione operativa (2)
Progetto di tirocinio: L’analisi dei dati (B.1-2)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00
Valore del rendimento in funzione della portata elaborata
ƞ
Q [𝑁𝑚3
/ℎ]
B.2 Si intende ridurre il rapporto di compressione di circa il 10%, supponendo che tale curva di
rendimento non cambi significativamente:
 Si stima un risparmio di circa il 6,6 %
Considerando:
• Una tensione di alimentazione di
400V;
• Un fattore di potenza (cosϕ) pari a
0,98.
Rapportando quindi la potenza
misurata dalla lettura dell’intensità di
corrente e la potenza teorica
calcolata si ottiene una curva di
rendimento meccanico in funzione
della portata elaborata:
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11. Pierluca Bracco
C. Ci si propone infine di ricercare preliminarmente le perdite di aria compressa
sull’intera linea:
Progetto di tirocinio: L’analisi dei dati (C)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
00.00
01.00
02.00
03.00
04.00
05.00
06.00
07.00
08.00
09.00
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
15.00
16.00
17.00
18.00
19.00
20.00
21.00
22.00
23.00
Domenica 10.22.'17
Portata [Nm3/h] Intensità di corrente[A]
Essendo quindi:
• 𝑄 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 = 34,18 𝑁𝑚3
/ℎ;
• 𝑄 𝑡𝑎𝑣𝑜𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑏𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 = 10 𝑁𝑚3
/ℎ;
• 𝑃 𝑠𝑝𝑒𝑐_𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟 = 0,253 𝑘𝑊ℎ/𝑁𝑚3
.
E considerando:
• Un periodo (T) di 8760 h/anno;
• 𝐶 𝑒𝑛_𝑒𝑙 = 0,15 € 𝑘𝑊ℎ .
 Si calcola quindi un potenziale risparmio per l’azienda pari a circa il 26% della spesa
complessivamente sostenuta per la produzione di aria compressa ossia 8.075,7 €/anno a fronte
di una spesa complessiva pari a 31.057,6 €/anno.
[10/15]

12. Progetto di tirocinio: Soluzioni proposte
Pierluca Bracco
Durante la fase finale si è proceduto alla stesura della reportistica delle analisi effettuate
al fine di fornire al cliente, oltre ai risultati delle misurazione, una proposta di
efficientamento e miglioramento delle prestazioni riguardanti la sala compressori e
l’impianto ad aria compressa:
• Leak Detection;
• Caduta di pressione: verifica filtri, manutenzione componenti (essicatore);
• Pressione operativa compressore;
• Taglia del compressore.
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13. Pierluca Bracco
Si vuole approfondire il discorso riguardante la taglia del compressore, in particolare
dall’analisi delle sue condizioni di funzionamento e dalla curva di rendimento si osserva:
3%
97%
Portata elaborata dal compressore in esame
Portata superiore a
quella minima di
progetto
Portata inferiore a
quella minima di
progetto
39%
46%
15%
Rendimento compressore
rendimento inferiore al 50%
rendimento compreso tra il 50 e l'85%
rendiment superiore all'85%
Progetto di tirocinio: Taglia del compressore
[12/15]

14. Pierluca Bracco
Si consiglia quindi una valutazione economica e tecnica più approfondita della
sostituzione di uno dei due compressori:
A titolo di esempio è stato analizzato un compressore di taglia inferiore:
Progetto di tirocinio: Sostituzione Compressore
VECCHIO COMPRESSORE:
• Tipologia: A vite, STC;
• Potenza: 55 kW;
• Portata: 222÷558 𝑁𝑚3
/h
• Pressione: 10 bar
NUOVO COMPRESSORE:
• Tipologia: A vite, STC
• Potenza: 26 kW
• Portata: 61÷281 𝑁𝑚3
/h
• Pressione: 9,5 bar
• Rendimento meccanico: 0,9
Da tali considerazione si ottiene:
 Un risparmio del 21% valutando solamente la sostituzione del compressore;
 Un risparmio del 42 % valutando la sostituzione del compressore e la riparazione
delle perdite e la riduzione della pressione operativa.
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15. Pierluca Bracco
È possibile inoltre stimare il potenziale saving di 𝐶𝑂2 connesso
all’ottimizzazione dell’impianto ad aria compressa.
Considerando:
• Fattore di emissione: 330,6 g𝐶𝑂2/kWh (fonte: Isprambiente 2016).
 Potenziale Saving di circa 30 ton𝐶𝑂2/anno
Progetto di tirocinio: Analisi Ambientale
[14/15]

16. Grazie per l’attenzione
Pierluca Bracco
FINE
[15/15]

17. Pierluca Bracco
 L’errore connesso alla curva ricavata quindi risulta pari al 3%
Ciò non verifica l’assunzione iniziale di non significatività della variazione del rapporto di
compressione sull’espressione del rendimento, ma ci permette di ritenere che tale curva
approssimi bene il rendimento meccanico del compressore e giustifica quindi tutte le
considerazioni fatte sulla taglia del compressore.
Confronto riduzione pressione
222,19 36,34 38,90 9,17 9,81 0,65
228,15 36,99 39,60 9,08 9,72 0,64
215,20 35,63 38,14 8,83 9,45 0,62
208,82 35,02 37,49 9,08 9,72 0,64
233,53 37,62 40,27 9,38 10,04 0,66
… … … … … …
∆ kWh[Nm3/h]
kW (calcolati con Q e
beta e curva di
rendimento) @p8
kW(calcolati da Q e beta
e curva di rendimento)
@p9
kWh
@p8
kWh
@p9
222,19 33,09 30,91 8,38 7,83 0,55
228,15 33,98 31,74 8,25 7,71 0,54
215,20 32,05 29,94 7,89 7,37 0,52
208,82 31,10 29,05 8,23 7,69 0,54
233,53 34,78 32,49 8,66 8,09 0,57
… … … … … …
∆ kWhkW_th @p8 kW_th @p9[Nm3/h] kWh @p8 kWh @p9 Valutando le potenze teoriche
richieste per i due differenti livelli di
pressione operativa, si stima un
risparmio di circa il 6,6%
Lo stesso calcolo, con l’espressione
del rendimento ricavata in
precedenza, stimava un risparmio
del 6,4%

18. Procedure di calcolo
Pierluca Bracco
• Calcolo dell’energia:
Considerando l’andamento della potenza assorbita di natura lineare e privo di significative
variazioni, si stima l’energia complessivamente consumata:
𝑃 = 3 ∗ 𝑉 ∗ 𝐼 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝜑 [𝑊]
𝐸 = 𝑃1 −
𝑃1 − 𝑃2
2
∗ 0.25 [𝑊ℎ]
• Potenza «teorica»:
 Trasformazione adiabatica isoentropica;
 𝑃 𝑘𝑊 =
𝑄𝜌𝑓1
𝑘
𝑘−1
𝑅∗ 𝑇𝑖𝑛[𝛽
𝑘−1
𝑘 −1]
3,6∗106∗ƞ 𝑒𝑙ƞ 𝑠
Dove:
𝜌 è la densità del fluido in condizioni Normali;
𝑓1 è il fattore di correzione per la portata aspirata dal compressore;
𝑘 è l’indice della politropica e assunto pari ad 1,4;
𝛽 è il rapporto di compressione e pari a 9;
Ƞ sono i rendimenti elettrico (el) ed isoentropico (s).