Una Tecnologia di Filtrazione a Risparmio Energetico

Nella ricerca di potenziali risparmi, la fornitura di aria compressa, indispensabile per l'industria, spicca sempre perché, questa forma di energia, è prodotta dalle aziende stesse; i suoi costi possono quindi essere influenzati direttamente.

E poiché “la differenza la fanno i dettagli” nel vero senso della parola, sono necessari specialisti per i vari livelli, dalla produzione al trattamento e alla distribuzione, fino alla qualità dell'aria compressa richiesta nel punto di consumo. Ad esempio, uno dei principali produttori di filtri è riuscito a risparmiare, nei propri stabilimenti americani, 460.000 kWh di elettricità nell'anno finanziario 2021 grazie a misure mirate ad ottimizzare i consumi degli impianti di aria compressa. (fonte: Donaldson Sustainability Report, Fiscal Year 2021). Gli sforzi di risparmio si sono tradizionalmente concentrati sui compressori d'aria compressa. Il loro consumo di elettricità è facile da misurare e lo sviluppo tecnologico dei compressori e del loro controllo sembra aver raggiunto i suoi limiti in termini di principi di progettazione rilevanti per la riduzione della domanda di elettricità.

Quindi, da dove si può partire quando la generazione di aria compressa è attuata a regola d’arte, i dati sono registrati digitalmente e anche la riduzione delle perdite ha successo in una rete di aria compressa ben progettata (Fig. 1)?

Evitare le perdite di pressione è un compito costante e una delle attività più efficaci per ottenere una maggiore efficienza energetica. E la tecnologia di filtrazione gioca un ruolo decisivo in questo senso. Anche una migliore filtrazione dell'aria di aspirazione al compressore (Fig. 2) influisce sui componenti del filtro separatore aria /olio a valle (Fig. 3) durante il processo di compressione, e anche sul trattamento dell'aria compressa. Prima che il vettore energetico "aria compressa" raggiunga gli attuatori, gli elementi di controllo pneumatici e le molteplici utenze, il suo compito come aria di processo, si può ipotizzare che attraversi un minimo di circa sei fino a diverse centinaia di filtri specifici per le varie utenze. E ogni stadio di filtrazione comporta una perdita di pressione, che viene compensata da un maggiore consumo energetico dei compressori.

L'influenza della tecnologia di filtrazione sul fabbisogno energetico non deve quindi essere sottovalutata. La ricerca e lo sviluppo di Donaldson hanno riconosciuto molto presto che l'interazione tra le prestazioni di filtrazione e la pressione differenziale può essere progettata attraverso la struttura del mezzo filtrante in modo tale da ottenere un notevole potenziale di risparmio energetico.

La tecnologia di filtrazione UltraPleat™ (Fig. 4) utilizza una nuova struttura di fibre high-tech rivestite, che vengono trasformate in un media filtrante pieghettato con un'elevata efficienza di separazione delle particelle liquide e una grande capacità di accumulo delle particelle solide. La struttura multistrato del nuovo media filtrante è stata progettata in modo tale da garantire condizioni fluidiche ottimali e allo stesso tempo una superficie filtrante più ampia del 400 % rispetto ai media filtranti avvolti.

Per la separazione degli aerosol di olio, si ottiene un'efficienza ≥ 99,9 % secondo la norma ISO 12500-1:2007. I dati sulle prestazioni dei filtri secondo le norme ISO 12500-1 e ISO 12500-3:2009 sono stati validati anche da un istituto indipendente per la ricerca energetica e ambientale. Il fatto che sia stato possibile ottenere queste elevate prestazioni di filtrazione, riducendo contemporaneamente la pressione differenziale di un ulteriore 50 %, sottolinea il successo dello sviluppo di questa tecnologia di filtrazione per aumentare l'efficienza energetica e conservare le risorse energetiche (Fig. 5). Un semplice esempio di calcolo mostra il grande vantaggio economico di questa tecnologia: una pressione differenziale inferiore di soli 300 mbar per 8.000 ore di funzionamento consente di risparmiare circa 4.700 euro per filtro UltraPleat™ all'anno (7 bar di pressione di rete, 110 kW di potenza installata del compressore, 0,18 euro/kWh).

L'elevata efficienza degli innovativi elementi filtranti viene sfruttata appieno negli alloggiamenti dei filtri ottimizzati per il flusso. Tuttavia, un prerequisito, è il monitoraggio continuo della pressione differenziale per l'intera durata di vita degli elementi filtranti a coalescenza o antiparticolato. Dovrebbero essere sostituiti quando i costi energetici della crescente pressione differenziale raggiungono i costi di investimento per un nuovo elemento filtrante. L'indicazione del tempo di sostituzione più economico è fornita dall'economizzatore (Fig. 6), che misura continuamente la pressione differenziale. Il microprocessore integrato valuta i dati misurati e confronta l'aumento dei costi energetici dovuti alla perdita di pressione con i costi di un nuovo elemento filtrante. Il tempo di sostituzione più economico così calcolato viene indicato da led luminosi ed è remotabile alla centrale di controllo.

Per elevate portate di aria compressa, che richiedono soluzioni ad hoc con alloggiamenti adattati all'applicazione (Fig. 7), ci si chiede se i risultati di misura della serie standard DF-UltraPleat siano applicabili. Wolfgang Bongartz, Engineering Manager di Donaldson ad Haan/Germania, spiega: "Poiché i banchi di prova presso istituti indipendenti, sono disponibili anche per grandi portate, disponiamo di un database affidabile per confermarlo. La struttura dei filtri è stata ottimizzata per i diversi gradi di filtrazione. Con la convalida dei nuovi elementi secondo le norme ISO 12500-1 e 12500-3, si ottiene una completa comparabilità dei dati sulle prestazioni. Per l'utente, questo significa: lunga durata degli elementi con una pressione differenziale costantemente bassa - il parametro decisivo per il risparmio energetico."

Applicato ai molti milioni di filtri per aria compressa utilizzati in tutto il mondo, questo è un fattore di riduzione dell'inquinamento da CO₂ da non sottovalutare. - E nemmeno la “green energy” è gratis (Fig. 8).

Solo una sofisticata tecnologia di filtrazione può ottenere la necessaria essiccazione dell'aria compressa fino alla filtrazione sterile nel punto di utilizzo. I concetti di trattamento adattati all'applicazione, che soddisfano le specifiche della norma ISO 8573-1:2010 con le classi di qualità 1-2:1-2:1-2 e 0, utilizzano sistemi di essiccazione dotati di filtri a risparmio energetico UltraPleat (Fig. 9).

Per l'uso economico degli essiccatori ad adsorbimento, la scelta del processo di rigenerazione è di importanza decisiva, tenendo conto delle condizioni operative. Se il calore del compressore è disponibile, può essere utilizzato economicamente per la rigenerazione nel cosiddetto processo Heat of Compression (HOC). La durata del ciclo è di 3,5 - 5,5 ore. Se è disponibile il calore di processo, è possibile migliorare ulteriormente il bilancio energetico.

Se, ad esempio, non è richiesta per tutte le utenze una qualità dell'aria compressa particolarmente elevata, corrispondente alle classi di qualità dell'aria compressa secondo la norma ISO 8573-1:2010, ciò ha un impatto sulla progettazione della centrale di trattamento e della rete di aria compressa. Livelli di qualità particolarmente elevati possono essere raggiunti in modo più economico al punto di utilizzo tramite il sistema di trattamento Ultrapac™ Smart (Fig. 10). Sono disponibili dieci taglie con portate nominali da 5 a 100 m³/h. Il prefiltro UltraPleat™ integrato trattiene le particelle solide e le sostanze in sospensione, nonché gli aerosol liquidi (olio/acqua). Lo stadio di essiccazione ad adsorbimento adsorbe l'umidità fino a un punto di rugiada in pressione di -70 °C, al 70 % di carico nominale (standard -40 °C). Nella fase finale, le particelle solide rimanenti fino a 0,01 μm vengono trattenute nel post-filtro integrato UltraPleat™.