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Corso di Impianti Meccanici Laurea Triennale Modulo 6 Impianti di separazione delle polveri da correnti fluide Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Dott. Ing. Michele Gambuti Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

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Corso di Impianti Meccanici – Laurea Triennale

Modulo 6

Impianti di separazione delle polveri da correnti

fluide

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Dott. Ing. Marco Pellegrini

Dott. Ing. Michele Gambuti

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

2/54

Introduzione

Classificazione normativa di filtri per l’aria

Agenda

Sistemi di separazione

Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro

Dimensionamento di una camera di depolverazione

Dimensionamento di un separatore a ciclone

3/54

Le particelle sospese in una corrente fluida possono essere campionate mediante appositi

sistemi di misura, e vengono classificate in base al loro diametro aerodinamico equivalente. Il

diametro aerodinamico equivalente di una particella è definito come il diametro di una che ha lo

stesso coefficiente di resistenza aerodinamico Cr (definito dalla legge di Stockes, come si vedrà

più avanti) della particella in questione.

Si utilizza spesso l’identificativo PM, abbreviazione di Particulate Matter, seguito dal diametro

aerodinamico massimo delle particelle.

Ad esempio si parla di PM10 per tutte le particelle con diametro inferiore o uguale a 10 µm e

di PM2,5 per tutte le particelle con diametro inferiore o uguale a 2,5 µm. Il PM2,5 è, ovviamente,

un sottoinsieme del PM10.

Il particolato grossolano se inalato, normalmente non permane nel tratto respiratorio, se non in

piccolissima parte. Il PM10 tende a fermarsi nell’apparato respiratorio superiore (naso e laringe)

e il PM2,5 è in grado di penetrare profondamente nei polmoni.

Esistono normative di carattere europeo, nazionale e regionale per quanto riguarda la

limitazione delle immissioni di particolato in atmosfera.

Tra le principali sorgenti antropiche di particolato, vi sono i processi di combustione. Tra questi è

da sottolineare l’impatto dovuto alle caldaie a biomassa: queste producono infatti molto

particolato di dimensioni fini.

Introduzione

4/54

Impatto ambientale delle biomasse (valori orientativi)

Introduzione

5/54

Limiti di emissione per impianti a biomassa di taglia < 50 MW autorizzati dopo il 2002

D.Lgs. n°152 del 3 Aprile 2006 – ‘’Norme in materia ambientale’’ – Allegato I

Introduzione

6/54

Direttiva Europea sulla qualità dell’aria

La direttiva 2008/50/EC detta limiti di qualità dell’aria con riferimento anche alle PM 2,5. Tale

direttiva è stata recepita dalla legislazione italiana con il D.Lgs. 155/2010

Introduzione

7/54

Direttiva Regionale

La Deliberazione dell’Assemblea Legislativa regionale n.51

del 26 luglio 2011 stabilisce i criteri regionali di localizzazione

per l’installazione di impianti di produzione di energia

mediante l’utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili eolica, da

biogas, da biomasse e idroelettrica.

Tale atto prevede che nelle aree di superamento e nelle aree

a rischio di superamento degli standard di qualità dell’aria si

possono realizzare impianti a biomasse a condizione che sia assicurato un saldo emissivo uguale o inferiore a zero per gli inquinanti PM10 e NO2, tenuto conto di un

periodo temporale di riferimento per il raggiungimento dell’obiettivo nonché della possibile compensazione

con altre fonti emissive.

La Giunta regionale ha anche deliberato i criteri per l’individuazione del computo emissivo per gli impianti di

potenza termica maggiore di 250 kWt (Del. Giunta Emilia Romagna 362/2012), in relazione alla criticità delle

diverse aree e alla conseguente individuazione delle condizioni di localizzazione.

Saldo emissivo = Emissioni nuovo impianto – Emissioni spente ≤ 0

Si configurano in particolare due casistiche possibili:

• sostituzione di emissioni provenienti da impianti esistenti;

• Installazione di nuovi impianti con contestuale riduzione delle emissioni complessive sul territorio tramite

la realizzazione di misure compensative, localizzate in via prioritaria nella medesima area comunale o, in

dipendenza dalla localizzazione dell’impianto, nelle aree contigue ricadenti in altri comuni.

Introduzione

8/54

Granulometria

Molto importante nella separazione delle polveri è conoscere

la composizione granulometrica delle polveri stesse,

costituite in genere da una miscela di elementi di diverse

forme e dimensioni.

Uno dei modi più semplici per determinare la granulometria

di un quantitativo noto di polveri, è la setacciatura. Le polveri

vengono inserite in una serie di setacci con maglie di

dimensioni via via decrescenti, posizionati su un basamento

che li mette in vibrazione.

Le polveri di dimensioni maggiori vengono trattenute dai

setacci superiori, mentre le polveri più fini arrivano ai settaci

a maglia più stretta.

Sui setacci si possono avere delle spazzole che favorire il

passaggio delle particelle più fini attraverso la maglia del

setaccio.

Con granulometrie molto fini, per un’analisi quantitativa del

particolato formatosi, si utilizzano laser o impattori.

Introduzione

9/54

I setacci vengono identificati in base alla propria luce di vaglio, ovvero

dalla dimensione delle aperture che permettono il passaggio delle sole

particelle di dimensioni inferiori.

Un setaccio può anche venire indentificato tramite il proprio numero di

Mesh. Le Mesh sono un’unità di misura anglosassone corrispondente al

numero di maglie per pollice lineare. A fianco è riportata una tabella dove

è ben visibile la corrispondenza tra luce di vaglio e numero di Mesh.

Introduzione

10/54

Rendimento

Il rendimento η, in percentuale, di una separazione solido-gas può esprimersi come:

η =A − B

A∙ 100

Dove:

A è la concentrazione del solido nella sospensione in entrata (g di solido per m3 di fluido)

B è la concentrazione del solido nel gas in uscita (g di solido per m3 di fluido)

Talvolta, specialmente nei separatori ad alta efficienza, il rendimento è espresso come fattore di

decontaminazione DF, rapporto tra le concentrazioni di solido nel gas, in entrata e in uscita:

DF =A

B=

1

1 − η 100

L’indice di decontaminazione è il logaritmo decimale del fattore di decontaminazione.

Ad esempio, un separatore con rendimento η=99,999% consentirà un DF=105 ed un indice di

decontaminazione pari a 5.

Introduzione

11/54

Introduzione

Classificazione normativa di filtri per l’aria

Agenda

Sistemi di separazione

Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro

Dimensionamento di una camera di depolverazione

Dimensionamento di un separatore a ciclone

12/54

La classificazione dei filtri per l’aria è oggi regolata da numerose norme che permettono di

definire con precisione le caratteristiche del filtro in relazione alla propria classe di efficienza ed

impiego.

Sono altresì normate le metodologie e gli impianti di prova per misurare le prestazioni dei filtri.

Classificazione normativa di filtri per l’aria

A differenza dei filtri per l’aria, I depolveratori industriali non sono contemplati dalle norme.

A seconda della specifica applicazione, esistono tecnologie di riferimento determinate

dall’esperienza su campo.

I filtri contemplati dalle norme sono suddivisi in 3 macrocategorie:

• Grossolani: G

• Fini:

• Assoluti:

EPA (Efficiency Particulate Air filter)

HEPA (High Efficiency Particulate Air filter)

ULPA (Ultra Low Penetration Air filter).

M (Medium)

F (Fine)

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Classificazione normativa di filtri per l’aria Standard EN 779-2012 (EU)

‘‘Particulate air filters for general ventilation. Determination of the filtration performance’’

14/54

Standard ANSI / ASHRAE 52.2-2012 (USA)

“Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size”

I filtri vengono suddivisi in 4 categorie:

• grossolani

(MERV da 1 a 4)

• bassa efficienza

(MERV da 5 a 8)

• media efficienza

(MERV da 9 a 12)

• alta afficienza

(MERV da 13 a 16)

Classificazione normativa di filtri per l’aria

15/54

Standard EN 1822-2009 (EU)

‘‘High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA)’’

I valori integrali si riferiscono alle polveri totali trattenuta rispetto alla corrente totale entrante.

I valori locali fanno riferimento a situazioni locali del filtro. Peri filtri H e U occorre stabilire un ulteriore

controllo puntuale su tutta la superficie filtrante, per la ricerca di eventuali perdite (microfori).

Il dato di efficienza locale è molto importante se si pensa, ad esempio, alla necessità di realizzare atmosfere

controllate nelle camere bianche per la produzione di chip, o alle esigenze di sterilità in sala operatoria (il

veicolo di trasporto di batteri e virus è infatti il particolato, solido o liquido, sospeso in aria).

Classificazione normativa di filtri per l’aria

16/54

Standard EN 13779-2007

“Ventilation for non-residential buildings — Performance requirements for ventilation and room-

conditioning systems”

Per applicazioni in ambienti non residenziali è possibile fare riferimento alle seguenti tabelle. Il tipo e la

classe di filtrazione dipendono dalla qualità dell’aria esterna e dalla qualità dell’aria richiesta.

Classificazione normativa di filtri per l’aria

17/54

Norma UNI 10339

“Impianti aeraulici a fini di benessere”

È possibile fare riferimento alla tabella a

fianco per le categorie di edifici indicati.

Classificazione normativa di filtri per l’aria

18/54

Introduzione

Classificazione normativa di filtri per l’aria

Agenda

Sistemi di separazione

Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro

Dimensionamento di una camera di depolverazione

Dimensionamento di un separatore a ciclone

19/54

Separatori inerziali

Nei sistemi ad inerzia il fluido portante subisce una

serie di deviazioni, che le particelle non riescono a

seguire completamente a causa delle forze di inerzia

dovute alla loro massa. Finiscono così contro ostacoli

o pareti esterne, perdono energia cinetica e

precipitano verso le tramogge di scarico e le coclee di

estrazione.

Qualunque sistema di separazione deve poter incidere sull’energia cinetica della particella,

annullandola o almeno riducendola fortemente. Questo si ottiene mandando le particelle ad

urtare contro mezzi diversi, solidi, fluido, ecc…

I vari sistemi si differenziano tra loro per le modalità con le quali le particelle vengono guidate

all’ostacolo.

Tra i sistemi di separazione inerziale particolarmente importanti sono quelli basato sulla forza

centrifuga. Il fluido viene sottoposto a moto rotatorio sicché le particelle vengono sottoposte a

forze di inerzia centrifughe che le spingono ad urtare contro la parete del contenitore.

Sistemi di separazione

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Separatori a Ciclone

Tra i sistemi di separazione inerziali, particolarmente importante sono quelli che

sfruttano la forza centrifuga. Il fluido viene sottoposto a moto rotatorio sicché le

particelle vengono sottoposte a forze di inerzia centrifughe che le spingono ad

urtare contro la parete del contenitore.

Nei separatori a ciclone, si provoca un vortice in una camera cilindrica. Si

introduce il fluido tangenzialmente dall’alto imprimendogli una forte componente

tangenziale e una modesta componente verso il basso della velocità.

Le particelle centrifugate contro la parte cilindrica vengono frenate nel loro moto

rotatorio scendendo ad elica verso il fondo. Il fluido che le accompagna, giunto

alla zona conica che ne riduce la traiettoria, acquista velocità e forma un vortice

più stretto che risale allo scarico coassiale con l’involucro.

Camere di depolverazione

Nei sistemi a caduta vengono ridotte fortemente le velocità del fluido portante e delle particelle.

Si riduce la resistenza al moto delle particelle ma anche la portanza, sicché la particella scende,

in un moto combinato, sotto l’azione della gravità e finisce contro il fondo del contenitore o altre

pareti, cedendo la già modesta energia cinetica.

Sistemi di separazione

21/54

Filtri a tessuto

Questi filtri sono costituiti da materiali fibrosi e a volte

vengono identificati tramite il ‘’numero di mesh’’, ovvero il

numero di fili della trama che si hanno per pollice quadrato.

A differenza dei setacci, questi filtri possono trattenere

anche particelle dalle dimensioni inferiori a quelle degli

interstizi. Le particelle infatti possono essere intercettate

dalle fibre non solo per l’impossibilità di infilarsi nei vani,

ma soprattutto per urto diretto contro le fibre o indotto per

inerzia dalle deviazioni subite dal fluido portante.

Con il depositarsi delle prime polveri, il filtro migliora perché presenta più accidentalità e vani più

piccoli, ma, in seguito, si hanno eccessive cadute di pressione.

Sorge così il problema della pulizia dei filtri. A questo scopo di olito i piccoli filtri sono tuti

smontabili, mentre i filtri più importanti sono di tipo autopulente.

Nel filtro a sbattimento meccanico di figura a), si provoca l’agitazione delle maniche a mezzo di

dispositivi meccanici, biellette, camme, sistemi vibranti (M).

In quello a pulizia pneumatica di figura b), quando la perdita di pressione raggiunge un

determinato valore, viene immessa aria compressa attraverso elettrovalvola V in elementi

toroidali T che scendono verso il basso.

Sistemi di separazione

22/54

Separatori elettrostatici

La carcassa è portata a terra e un elettrodo centrale caricato è

mantenuto ad un potenziale molto elevato (migliaia di volt).

Il gas interposto tra i due elettrodi viene così ionizzato. Gli ioni

gassosi negativi, ionizzano le particelle solide del gas polveroso

entrante, che, quindi, si caricano positivamente, vengono attratte

dall’elettrodo costituito dall’involucro, lo urtano riducendo

l’energia cinetica, gli cedono la carica elettrica e scendono al

fondo.

Il filtro funziona tanto meglio quanto più bassa è la concentrazione di particolato.

Per portate elevate si ricorre a separatori costituiti da una serie di piastre parallele tra loro con

fili carici interposti.

I separatori elettrostatici presentano un elevato costo di impianto dovuto soprattutto

all’isolamento elettrico in presenza di alte tensioni.

Erano la principale tecnologia competitor dei filtri a tessuto poiché 30 anni fa quest’ultimi non

potevano sopportare elevate temperatura, mentre i separatori elettrostatici sono composti da

soli componenti metallici.

Oggi, grazie all’esistenza di tessuti che possono resistere ad oltre 300°C, si preferisce utilizzare

filtri a tessuto, evitando i problemi correlati all’alta tensione.

Sistemi di separazione

23/54

Separatori a umido

Nei separatori ad umido le particelle solide

vengono separate venendo a contatto con schermi

d’acqua o superfici bagnate.

Vengono create goccioline dell’ordine dei 100 µm

che pervadono l’ambiente di passaggio e

inglobano le particelle solide, rendendo più

semplice l’operazione di separazione.

Si ha la possibilità di separare anche in presenza

di fluidi pericolosi ed aggressivi e di utilizzare

composti basici come soda o calce per

neutralizzare i componenti acidi eventualmente

presenti.

Esistono architetture (a) munite semplicemente di ugelli di lavaggio e filtro per trattenere le

goccioline d’acqua, o architetture (b) dove le particelle vengono intercettate da veli d’acqua che

scendono dai piatti.

Risulta necessario trattare l’acqua uscente arricchita di particelle in sospensione.

Sistemi di separazione

24/54

Meccanismi di cattura nei filtri a umido

Sistemi di separazione

25/54

Vantaggi:

• elevate efficienze per granulometrie fini

• possibilità di operare con gas caldi ed umidi

• modesti costi di impianto

Scrubber Venturi

Il condotto convergente-divergente richiama la

corrente polverosa per effetto Venturi e si realizza un

flusso ad alta velocità.

Dell’acqua viene atomizza nella sezione di gola

umidificando l’aria e creando una sospensione di

goccioline. Nel tratto divergente si ha condensazione

di parte dell’acqua evaporata con formazione di

ulteriori goccioline.

Le polveri vengono intrappolate nelle goccioline e

risultano più facili da separare.

Svantaggi:

• elevate perdite di carico

• trattamento dei reflui liquidi e fanghi

• limiti sulla portata dei fumi

Sistemi di separazione

26/54

Valori orientativi di perdite di carico e rendimenti di separazione per separatori a umido

Sistemi di separazione

27/54

Tipologia Efficienza di separazione

ponderale (%)

Minimo diametro

separabile (m)

Carico di polveri

ammesso (mg/m3)

Cicloni 85 10 2000*

Scrubber 90 5 2000

Separatori a maniche 99 1 500

Precipitatori elettrostatici 95 2 200

Prestazione dei diversi sistemi di filtrazione

Le prestazione di ciascuno dei sistemi di depolverazione vengono valutate in base a diversi

parametri tra cui:

• efficienza di separazione ponderale

• minimo diametro delle polveri separabile

• carico di polveri ammesso

(* il carico aumenta per cicloni ad alta carica di attraversamento come, ad esempio, quelli utilizzati per scaricare materiale

dalle navi o nella sezione finale di un trasporto pneumatico)

Sistemi di separazione

28/54

Introduzione

Classificazione normativa di filtri per l’aria

Agenda

Sistemi di separazione

Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro

Dimensionamento di una camera di depolverazione

Dimensionamento di un separatore a ciclone

29/54

Camera di depolverazione

In questi separatori, detti anche a sedimentazione, la separazione avviene per gravità.

Il fluido arriva in una ambiente di grandi dimensioni e rallenta, realizzando una camera di calma.

Alle particella in sospensione viene a mancare la velocità di trasporto del fluido e, risentendo

della gravità, precipitano.

Una particella è da considerare separata se raggiunge la base del parallelepipedo prima di

uscire dalla camera. La separazione avviene, quindi, quando il tempo di deposizione Td è

inferiore al tempo di attraversamento Ta.

Tempo di attraversamento: Ta =L

v

Tempo di deposizione: Td =h

u

𝐓𝐝 ≤ 𝐓𝐚 → h

u≤L

v

Dimensionamento di una camera di depolverazione

30/54

La forza resistente FR applicata dal fluido alla particella è data dalla legge di Stokes:

FR = Cr A 𝜌f w2

2

dove:

• w è la velocità relativa della particella rispetto al fluido;

• ρf è la densità del fluido;

• A è la sezione trasversale della particella;

• Cr è un coefficiente calcolabile in funzione di un parametro adimensionale Rs chiamato

numero di Reynolds del solido:

Rs = 𝜌f d w

µf

essendo µf la viscosità dinamica del fluido e d il diametro idraulico della particella solida.

Supponendo che il fluido si muovi di moto laminare nel suo moto relativo alla particella, vale la

relazione:

Cr = 24

Rs

Dimensionamento di una camera di depolverazione

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33/54

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35/54

Nella camera a polvere l’aria è calma in direzione verticale, la

componente u è la velocità di caduta libera (settling velocity).

La forza resistente FR è quindi data dalla relazione:

FR = Cr A 𝜌f w2

2=24

Rs

π d2

4𝜌f u2

2

Poiché questa forza viene vinta dalla forza peso, tenendo conto della spinta idrostatica dovuta

all’immersione della particella di densità ρs nel fluido di densità ρf, si ottiene la velocità di

discesa u, dalla seguente uguaglianza:

24

Rs

π d2

4ρf u2

2=4

3

π d3

8ρs − ρf g

u2 =1

18

d ρs − ρf g

ρfRs =1

18

d ρs − ρf g

ρf ρf d u

µf → 𝐮 =

𝐝𝟐 𝝆𝐬 − 𝝆𝐟 𝐠

𝟏𝟖 µ𝐟

Dimensionamento di una camera di depolverazione

36/54

Perché la particella venga catturata deve essere:

Td ≤ Ta → h

u≤L

v

Introduciamo la portata di fluido Q:

Q = v ∙ h ∙ H

Il valore minimo che la lunghezza della camera L deve assumere perché vengano catturate le

particelle di diametro d o superiore è pari a:

L

QH ∙ h

≥h

u → 𝐋 ≥

𝐐

𝐇 ∙ 𝐮 → 𝐋 ≥

𝟏𝟖 𝐐 µ𝐟𝐝𝟐 𝐇 𝛒𝐬 − 𝛒𝐟 𝐠

Quando le particelle sono molto piccole, anche u è molto ridotta e conseguentemente sono

necessarie camere di notevole ingombro H x L.

Dimensionamento di una camera di depolverazione

37/54

Introduzione

Classificazione normativa di filtri per l’aria

Agenda

Sistemi di separazione

Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro

Dimensionamento di una camera di depolverazione

Dimensionamento di un separatore a ciclone

38/54

Separatore a ciclone

Diverse teorie sono state formulate al fine di esprimere matematicamente il diametro minimo

separabile in funzione delle caratteristiche geometriche e di esercizio del ciclone e delle

proprietà della sospensione.

In un vortice ideale vale la relazione v ∙ r = costante, dove v è la velocità tangenziale del gas

misurata al raggio r del vortice. Considerando gli effetti delle perdite per attrito, l’equazione

viene corretta introducendo un esponente n generalmente compreso tra 0,5 e 1 e risulta

v ∙ rn = costante.

Una particella è da considerare separata quando tocca la parete del ciclo. Qui perde energia

cinetica e cade verso il basso per gravità. Più elevata è la velocità, maggiore è la forza

centrifuga che agisce sulle particelle separandola dalla corrente fluida.

Si definisce velocità limite di trasporto (saltation velocity) la velocità sotto la quale una

particella smette di essere trasportata in sospensione fluida omogenea ed inizia a procedere

abbandonando per tempi più o meno lunghi la corrente fluida che la trasporta (urtando, ad

esempio, le pareti del condotto di trasporto).

Se la velocità dei tubi di flusso supera in maniera consistente la saltation velocity vi è il rischio

che una particella già separata venga ripresa in seno alla corrente di trasporto.

Dimensionamento di un separatore a ciclone

39/54

Teoria di Rosin, Rammler e Intelmann (1932)

Si suppone che:

• sia trascurabile la forza peso delle particelle solide rispetto alla forza centrifuga;

• sia applicabile la legge di Stokes nel moto relativo solido-gas;

• le particelle solide siano sferiche e conservino in ogni punto, come componente della propria

velocità, la velocità del vortice in quel punto;

• le particelle solide siano uniformemente ripartite nella corrente fluida e non interferiscano

l’una con l’altra durante il percorso nel ciclone;

• le particelle solide, una volta separate per aver raggiunto la parete del ciclone, non siano

risucchiate dal vortice;

• il fluido conservi nel suo percorso la stessa velocità e la stessa sezione corrispondenti alle

condizioni di ingresso nel ciclone;

• si possano trascurare ai fini della separazione, le componenti verticale e radiale centripeta

della velocità.

Dimensionamento di un separatore a ciclone

40/54

Consideriamo una particella di solido di diametro δ e densità ρs che

si muova a distanza r dall’asse del ciclone con velocità tangenziale

ve (velocità di entrata).

Essa è sottoposta all’azione radiale della forza centrifuga:

FC = mve2

r=4

3πδ

2

3

𝜌sve2

r=π

6δ3𝜌sve2

r

ed incontra la resistenza opposta dal fluido data dalla legge di

Stokes:

FR = Cr π δ2

4𝜌f v𝐬2

2 , Cr =

24

Rs=24 µf𝜌f δ vs

FR = 3 δ π µf vs

avendo indicato con μf la viscosità del fluido e con vs la velocità

radiale della particella.

Dall’uguaglianza delle due espressioni si ricava:

π

6δ3𝜌sve2

r= 3 δ π µf vs → 𝐯𝐬 =

𝐝𝐫

𝐝𝐭=𝜹𝟐𝝆𝒔𝟏𝟖µ𝒇

𝐯𝐞𝟐

𝐫

Dimensionamento di un separatore a ciclone

41/54

Ovvero:

𝐫 𝐝𝐫 =𝛅𝟐𝝆𝐬𝟏𝟖µ𝐟 𝐯𝐞𝟐 𝐝𝐭

Affinché la particella in esame possa raggiungere la parete del

ciclone (r = D/2) e, quindi, con le ipotesi ammesse, essere

considerata separata dal gas, è necessario che essa possa disporre

di un adeguato tempo.

Indichiamo con

t′ =π D

veN

il tempo disponibile (tempo di attraversamento) espresso come

rapporto tra il percorso approssimato πDN e la velocità di ingresso.

Il numero di rivoluzioni N che il vortice riesce a compiere entro il ciclone può essere stimato

considerando la sola parte cilindrica (la parte conica che serve per convogliare il fluido allo

scarico può essere trascurata). Solitamente l’angolo di discesa della traiettoria dopo una

rivoluzione è circa di 15 °.

Dimensionamento di un separatore a ciclone

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Integrando l’espressione 𝐫 𝐝𝐫 =𝛅𝟐𝝆𝐬

𝟏𝟖µ𝐟 𝐯𝐞𝟐 𝐝𝐭 tra r e D/2 e tra 0 e t’,

si ottiene:

𝛅 = 𝟑 ∙

𝐃𝟐 − 𝐫

𝟏𝟐 +𝐫𝐃 µ𝐟

𝛑 𝐯𝐞 𝐍 𝝆𝐬

Considerando che la posizione più sfavorevole è per le particelle in

ingresso alla distanza massima r = D/2 – l dalla parete del ciclone,

ne segue, per il diametro minimo separabile, l’espressione:

𝛅𝐦𝐢𝐧 = 𝟑 ∙𝒍 𝟏 −

𝒍𝐃 µ𝐟

𝛑 𝐯𝐞 𝐍 𝝆𝐬

Vale a dire, mentre le particelle con diametro superiore al valore minimo saranno separate,

quelle con diametro inferiore o uguale saranno solo in parte separate, a seconda della

posizione che hanno in ingresso.

Dimensionamento di un separatore a ciclone

43/54

Teoria di Lapple (anni ‘60)

I risultati forniti dalle precedenti teorie deterministiche risultano approssimati del 70%–100%.

Le precedenti teorie prevedono, inoltre, che tutte le particelle di diametro superiore al diametro

minimo separabile vengano separate con un rendimento del 100% e ciò non risulta aderente

alla realtà.

Per spiegare questo fenomeno fu introdotto da Lapple il concetto di ‘’50% cut diameter’’ (d50). Il

d50 è il diametro delle particelle separate con un rendimento del 50%. Secondo Lapple:

𝐝𝟓𝟎 =𝟗 ∙ µ𝐟 ∙ 𝒍

𝟐 ∙ 𝛑 ∙ 𝐍𝐞𝐯𝐞 ∙ 𝝆𝐬 − 𝝆𝐟

con

𝐍𝐞 =𝟏

𝐡𝐇𝐜 +𝐇− 𝐇𝐜𝟐

Dimensionamento di un separatore a ciclone

44/54

Rendimento di separazione

Successivamente si stabilì per cicloni simili, un diagramma che riporta in ascissa il rapporto

𝛅/𝐝𝟓𝟎 , con δ diametro della generica particella, e, in ordinata, il rendimento di separazione

relativo. Tale curva, come suggerito da Theodore e De Paola, può essere rappresentata con

l’equazione

𝛈𝐢 =𝟏

𝟏 +𝐝𝟓𝟎 𝛅𝐢

𝟐

essendo δi il diametro (eventualmente medio) delle particelle cui si intende riferito ηi.

Il rendimento totale della separazione risulta essere:

𝜼 = 𝛈𝐢 𝐦𝐢

𝐧

𝐢=𝟏

con 𝐦𝐢 = 𝐀𝐢/𝐀, rapporto fra la massa delle particelle aventi diametro (medio) δi e la massa

totale.

Dimensionamento di un separatore a ciclone

45/54

Saltation velocity

Kalen e Zenz, osservando che il rendimento di separazione poteva diminuire, definite le altre

condizioni operative, all’aumentare della velocità di ingresso del fluido nel ciclone, introdussero

il concetto di saltation velocity nel ciclone, ovvero la minima velocità che deve avere il fluido

affinché non si verifichi la sedimentazione della particella in esso sospesa.

Per concentrazioni di solido fino a 22 − 23𝑔

𝑚3𝑎𝑟𝑖𝑎 la velocità limite di separazione vls è data da:

v𝑙s = 5,408 ∙g ∙ µf ∙ 𝜌s − 𝜌f ∙ 𝑙/D

1,2

1 − 𝑙/D

0,5D0,1 ∙ ve𝜌f

2/3

Per avere alte efficienze di separazione, il valore

ottimo del rapporto 𝐯𝐞/𝐯𝒍𝐬, tenendo conto di opportuni

coefficienti correttivi ft e fρ, risulta essere:

vev𝑙s= 1,25 ∙ ft ∙ fρ

Dimensionamento di un separatore a ciclone

46/54

Dimensionamento

Nota la portata Q di gas, la velocità di ingresso ve

è data da:

ve =Q

h 𝑙

ovvero, posto Kh𝑙 = h D ∙ 𝑙 D ,

ve =Q

Kh𝑙D2

da cui

D =Q

ve Kh𝑙

0,5

Si sceglie, quindi, la configurazione più opportuna in base ai dati delle tabelle I e II, rimanendo, così, fissato

il valore di Khl.

Dimensionamento di un separatore a ciclone

Il dimensionamento del diametro del separatore a ciclone segue di conseguenza un metodo iterativo: infatti

per ottenere alte efficienze di separazione la velocità 𝑣𝑒, che appare nel calcolo di D, è legata alla saltation

velocity 𝑣𝑠, che dipende, a sua volta, dal diametro del ciclone.

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Combinando le seguenti equazioni (1) e (2), noti f, ρ, ρf ed il valore ottimale di ve/vls (3), si

ottiene ve, da cui, tramite la (1), si ottiene il diametro D del ciclone. Il calcolo procede fino alla

convergenza della soluzione. Trovato il diametro si possono ottenere le altre dimensioni in base

ai dati della tabella I.

D =Q

ve Kh𝑙

0,5 (1)

v𝑙s = 5,408 ∙g∙µf∙ 𝜌s−𝜌f ∙ 𝑙/D

1,2

1−𝑙/D

0,5D0,1∙ve

𝜌f

2/3

(2)

ve

v𝑙s

= 1,25 ∙ ft ∙ fρ (3)

Il procedimento da seguire è quindi iterativo

Per calcolare il rendimento η di separazione, occorre calcolare d50 con le equazione già viste (3)

e (4):

d50 =9∙µf∙𝑙

2∙π∙Neve∙ ρs−ρf (3)

Ne =1

hHc +

H−Hc

2 (4)

Dimensionamento di un separatore a ciclone

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Si calcola quindi per ogni δi il relativo ηi, in base alla (6), da cui, conoscendo la composizione

del solido in sospensione (riferendosi eventualmente a diametri δi medi), si calcolano i rapporti

δi = Ai /A, ovvero η tramite la (7):

ηi =1

1+d50 δi

2 (6)

η = ηi mini=1 (7)

In alternativa, quando la concentrazione di solido fosse superiore a 22 − 23𝑔

𝑚3𝑎𝑟𝑖𝑎, ancorché un

incremento della concentrazione corrisponda a più altri valori di η, si può procedere ricavando il

valore di η richiesto, nota la composizione del solido in sospensione, per valori di tentativo

attribuiti a d50. Noto dalla (6) e dalla (7) il valore d50 che fornisce il valore η richiesto, scelta la

configurazione più opportuna in base alle tabelle I e II, dalla (3) risulta:

ve =9 ∙ ∙ K𝑙 ∙ D

2 ∙ π ∙ Ne ∙ ρs − ρf∙1

d502 =

Q

Kh𝑙 D2 , con K𝑙 = 𝑙 D

da cui: D =Q d502 2 π Ne ρs − ρf9 𝑙 Kh𝑙K𝑙

0,5

Ne si ricava in base alla (4) ed ai valori riportati nella tabella (I).

Dimensionamento di un separatore a ciclone

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Introduzione

Classificazione normativa di filtri per l’aria

Agenda

Sistemi di separazione

Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro

Dimensionamento di una camera di depolverazione

Dimensionamento di un separatore a ciclone

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Sistemi di captazione di polveri

Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro

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La captazione delle polveri negli ambienti di lavoro riveste importanza notevole in qualunque

complesso industriale, perché in genere non vi è operazione tecnologica che non dia luogo a

dispersione nell’ambiente di particelle più o meno minute del materiale di lavorazione e di altri

usati per la lavorazione. Esiste una complessa normativa che considera i valori delle

concentrazioni massime ammissibili in determinati luoghi ed i valori limiti ponderati cui gli

operatori possono essere esposti in linea di massima.

È inoltre da sottolineare l’importanza che riveste l’adozione di adeguate misure antincendio

qualora si abbia a che fare con polveri infiammabili o esplosive.

Un impianto di captazione di polveri è di solito un impianto di trasporto pneumatico aspirato

dove al posto delle bocche di aspirazione troviamo prese d’aria potenziate da cuffie, cappe,

cabine, banchi e involucri vari, disposti opportunamente attorno alla zona di produzione delle

polveri.

Quando la fonte delle polveri è costituita da un utensile rotativo come in fig.34 (mola smeriglio,

spazzola rotante, …) si utilizza una cuffia (c) che circonda l’utensile e convoglia l’aria e le

polveri alla tubazione di aspirazione proteggendo la zona attorno e l’operatore. Con un setto (S)

si riduce l’emissione di polveri fini ed esiste una camera inferiore (C) in cui cadono le particelle

di maggiori dimensioni.

Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro

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Lo schema di fig.35 mostra l’utilizzazione di due cuffie in parallelo per la raccolta delle inevitabili

polveri che si hanno allo scarico di un nastro trasportatore (N) ed all’uscita della sottostante

tramoggia (T) che serve ad insaccare il materiale incoerente.

Quando l’emissione delle polveri non avviene da una sorgente concentrata, in luogo delle cuffie

si utilizzano cappe di aspirazione di varia forma. A volte la cappa è posta lateralmente al piano

della lavorazione (fig.36) in maniera fissa o con possibilità di spostamento per mezzo di bracci

articolati e condotti flessibili (fig.37).

Quando il condotto di aspirazione deve risultare ad asse parallelo al piano della bocca di

captazione (fig.38) è preferibile che questa sia costituita da numerose feritoie e che la parete

posteriore della cappa sia inclinata in modo da dare luogo ad un condotto a sezione crescente

fino al raccordo cn la tubazione di aspirazione.

Per certe lavorazioni (come nella saldatura) può risultare conveniente l’adozione di banchi

aspiranti (fig.39) Questi presentano un banco di lavoro costituito da un grigliato (G) sostenuto

da un cassone (C) ove si depositano le particelle più pesanti, dal quale viene aspirata l’aria.

L’adozione si schermi (S) aiuta a delimitare meglio zona di lavoro.

Per meglio evitare la diffusione delle polveri si può infine isolare il processo in cabine aspiranti

(fig.40). Sono particolarmente adatte a processi automatizzati (es: verniciatura) e possono

essere muniti di setti per una omogenea distribuzione dell’aria nell’ambiente.

Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro

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Nello studio di tali dispositivi si fa spesso riferimento a

diagrammi che consentono di conoscere il vettore velocità

dell’aria in un punto generico della zona attorno alla presa

d’aria e determinare la superficie di contorno per cui le

particelle vengono aspirate.

Sul diagramma sono fornite le linee di flusso F (traiettorie

delle particelle) e le superfici di contorno S (sulle quali la

velocità è costante in modulo e tangente alle linee di flusso)

nell’intorno di un tubo aspirante a sezione circolare di raggio

R e in funzione delle distanze: x dalla presa ed r dall’asse

della stessa.

Sul diagramma sono anche riportati i coefficienti di velocità C /C0 relativi alle velocità dell’aria

nell’intorno della presa essendo C0 la velocità media sulla sezione della presa stessa.

Data la simmetria della tubazione, il diagramma è lo stesso qualunque sia il piano assiale

considerato. Se la presa non è assialsimmetrica, per descrivere il moto dell’aria attorno

occorrono più diagrammi riferiti ai diversi piani di simmetria.

In genere, in una presa quadrata l’attenuazione frontale è minore di una presa circolare ma

maggiore rispetto ad una presa rettangolare.

Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro

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Captazione delle polveri negli ambienti di lavoro

Corso di Impianti Meccanici – Laurea Triennale

Modulo 6

Impianti di separazione delle polveri da correnti

fluide

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Dott. Ing. Marco Pellegrini

Dott. Ing. Michele Gambuti

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna